氧化石墨烯层状膜中的光响应特性和非对称离子输运.docx

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1、氧化石墨烯层状膜中的光响应特性和非对称离子输运向大自然学习是人类社会生存和发展的永恒主题。经历了亿万年的优胜劣汰,自然界中的生命体已经各自拥有了完美的结构和功能。细胞膜上由蛋白质构成的离子通道和离子泵在各项生命活动中都起着重要的作用,它实现了细胞与外界环境的信号传递、能量转换、物质传输等。随着纳米生物技术、材料科学等的快速发展,并受细胞膜结构和功能的启发,仿生智能纳米离子通道被广泛研究。在很早之前,人们就开始研究通过光、pH、温度等不同的物理、化学刺激来刺激响应性分子实现不同功能的调控。本论文以二维层状氧化石墨

2、烯纳米流体系统为主体,同时引入了响应性分子,研究了具有光响应特性的二维纳米流体系统在离子传输及能量转换方面的特性。本论文的研究工作如下:1.构建了氧化石墨烯多层膜,这种膜是通过对氧化石墨烯分散液进行真空抽滤、温和热处理得到的,通过这种方法制备的氧化石墨烯多层膜具有规整的层间结构,并且能够在水溶液中稳定存在。这种自堆积构建二维纳米流体器件的方法制备过程简单、快速、易行、有效,可在多种材料中推广应用,同时,赋予二维纳米流体系统适应不同环境的能力和离子传输特性,为新型纳米、亚纳米尺寸的离子传输行为提供了一条通往实际应

3、用的道路。2.构筑了具有光控非对称离子输运特性的二维纳米流体器件。应用溶液滴铸的方法将螺吡喃分子修饰到氧化石墨烯多层膜上,构建了一种基于化学改性氧化石墨烯的二维纳米流体器件。这种方法是通过将螺吡喃分子的乙醇溶液滴加到氧化石墨烯多层膜的上表面,并使螺吡喃分子渗透进入膜下数层与氧化石墨烯纳米片结合来实现的。通过这种方法制备的改性氧化石墨烯多层膜具有光控离子电流整流特性。在紫外光照下,离子电流整流比会显著增大,最大整流比是48,并且在可见光照下能够完美的回复到初始状态。这种光控二维纳米流体器件在能量转换、化学传感、水

4、处理等方面都有广泛的应用。3.构筑了具有光响应特性的氧化石墨烯二维层状膜纳米流体产能装置。首先在本体溶液中对氧化石墨烯进行化学改性,在π-π分子间作用力、静电力等作用下,使纳米片表面分别附着上光酸分子和光碱分子。然后通过依次抽滤的方法成功构建了改性氧化石墨烯二维层状膜纳米流体器件。这种在氧化石墨烯本体溶液中进行的改性方法高效、简便、易行,并且能对纳米片进行充分的修饰。通过这种方法得到的二维纳米流体器件依然具有规整的层间结构,并且在水溶液中的稳定性强,可以推广到多种实际应用中。最后,通过外加光照对氧化石墨烯膜上附

5、着的光酸分子和光碱分子的作用,使电解液的局部浓度发生变化,产生了质子非对称性,根据浓差-电能的能量转换机理,该二维纳米流体器件能够把光能转变成浓差进而转变成离子电流,并且随着光照的打开关闭,该过程可循环多次进行。我们的研究结果也可以进一步推广,应用到其他的二维纳米流体产能器件中。