ACS Nano: 离子扩散定向装配多层氧化石墨烯涂层

【引言】

层层自组装法自1992年被发明以来被广泛应用于多层涂覆物的组装，但受传统自组装法本身效率和流程的限制，该方法通常只能制备小于100nm厚的薄膜，且相当耗费时间。为了达到微米级厚度膜的高效制备，很多方法被发明出来，例如旋涂辅助层层自组装法。该方法虽然一定程度提高了制备效率，但很难保证所制备膜的均一性，且其效率仍难以满足微米级厚的薄膜的制备。氧化石墨烯作为构建多种功能材料的基础单元，在储能、电催化、分离器等诸多领域有着广泛的应用前景。很多研究集中在氧化石墨烯纳米级厚膜的组装，但有限的厚度极大限制了其应用。因此，找到一种快速高效的微米级氧化石墨烯膜自组装的方法对于其应用来说至关重要。

【成果简介】

 近日，浙江大学高超教授课题组在ACS Nano上发表了题为“Ion Diffusion-Directed Assembly Approach to Ultrafast Coating of Graphene Oxide Thick Multilayers”的文章，通讯作者是高微微和高超。研究者利用离子扩散定向组装(IDDA)的策略，一步快速制备了可在不同基底涂覆的微米级厚度的氧化石墨烯（GO）膜。存在于基底表面的金属离子由于浓度差，会自发的从基底向GO溶液扩散，在这个过程中GO通过溶胶凝胶转变被层层组装在基底表面，一个循环可涂覆10um厚的膜。该方法主要有三个优点：（1）微米级的高效涂覆；（2）厚度及均一性可控；（3）适用于各种不同基底。该方法极大优化了氧化石墨烯涂层的组装效率，促进了其在超电、电磁屏蔽、防腐涂层等方面的应用。同时该方法也可推广至其它材料，在规模化制备多功能涂层材料上有着广泛的应用潜力。

【图文导读】

 图1 方法示意图

目标基底吸附电解液后浸入到GO溶液中，随着离子扩散GO层层组装在基底表面。

图2 照片及表征

a-c, 分别为滤纸、聚丙烯膜和铜线衬底IDDA涂覆和传统涂覆GO的对比照片；

d-f, 分别为纯GO分散液和IDDA组装交联GO凝胶在稳态扫描、动态扫描和应变扫描模式下的流变性质；

g, 不同停留时间下提拉过程中牵引力和距离关系曲线；

h, 不同停留时间下涂覆GO凝胶的铜线照片；

i-k，分别为冷冻干燥铜表面GO涂覆层截面的SEM照片及碳和钙元素的成像图；

l-n, 分别为自然干燥铜表面GO涂覆层截面的SEM照片及碳和钙元素的成像图。

图3 厚度影响因素及其它复合结构膜

a, 涂覆的凝胶质量与不同电解液浓度关系图；

b, 以 BaCl₂为交联剂，在不同GO浓度下涂覆的凝胶质量；

c, pH对涂覆凝胶质量的影响；

d, 溶剂极性对涂覆凝胶质量的影响；

e, 电解液浓度对涂覆凝胶厚度的影响；

f-g, 分别为0.1M和0.3M CaCl₂涂覆GO层的SEM截面图；

h-i, IDDA组装两个循环后的涂层截面的SEM图；

j-l, IDDA组装的GO/CNT复合膜截面的SEM图；

m-o, IDDA组装的GO/Fe₃O₄复合膜截面的SEM图。

图4 不同基底的IDDA组装涂覆

a-c, 分别为涂覆GO凝胶的纸和其紫外-可见光吸收曲线；

d-k，在各种不同基底下涂覆GO凝胶；

l-n, 分别为在铜纤维上涂覆形成空心石墨烯管的侧面和截面的SEM图。

图5 不同应用的示意图及表征

a-c, IDDA组装的超级电容器照片及性能测试；

d-f, 纺织品表面组装的还原GO膜及其电磁屏蔽性能测试；

g, 部分涂覆GO的铜线浸入FeCl₃溶液；

h, 浸没12h后的照片;

i-j, 除去GO涂层后的照片。

 【小结】

研究者利用离子扩散定向组装的策略，一步快速制备了可在不同基底涂覆的微米级厚度的氧化石墨烯膜，极大地优化了氧化石墨烯涂层的组装效率，促进了其在超级电容器、电磁屏蔽、防腐涂层等方面的应用。同时，该方法也可推广至其它材料，在规模化制备多功能涂层材料上有着广泛的应用潜力。

文献链接：Ion Diffusion-Directed Assembly Approach to Ultrafast Coating of Graphene Oxide Thick Multilayers（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b03480）

本文由材料人编辑部纳米学术组张涛麟编译整理， 点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！