氧化石墨烯基复合薄膜材料的制备技术及应用进展

《石油化工高等学校学报》近期刊发了燕山大学焦体峰教授团队的文章“氧化石墨烯基复合薄膜材料的制备技术及应用进展”。

研究背景

氧化石墨烯因其特殊的物理和化学性质成为近年来研究的热门材料，有关氧化石墨烯基复合薄膜材料的制备、功能化及应用成为当下的前沿和热门课题。

文章创新点

Langmuir -Blodgett（LB）技术可制备具有可控堆叠和厚度的高质量薄膜，已被用于生产在分子水平上组织的材料。静电纺丝技术被认为是一种可连续不断地制造聚合物微纤维/纳米纤维的简单而通用的技术，层层组装法、溶液涂覆法等也是制备薄膜的常用技术。本文主要综述了较为热门的GO 基复合LB膜、GO基静电纺丝膜以及通过其他途径制备的GO基复合膜材料的制备方法和应用开发，并对其应用前景和面临的挑战进行了总结与展望。

主要研究内容及结论

石墨烯作为一种新型二维超薄碳材料，易于吸附分子，是天然的衬底。当某些分子吸附在石墨烯表面时，分子的拉曼信号会得到明显的增强，这种拉曼增强效应被称为石墨烯增强拉曼散射效应（GERS）。X.LING等为了进一步证实GERS 中的化学增强机制，使用LB技术构建了原卟啉Ⅸ（PPP）的单层或多层有序聚集体以及与石墨烯接触的PPP的可控分子构型（见图1）。

图1 样品制备过程示意图

D. D.KULKARNI等为了最大限度地减少GO片的折叠和起皱，提出可用LB 技术代替常规吸附和自旋铸造（见图2）。当使用LB技术沉积时，GO片因其柔性而产生的折叠和褶皱基本上可以最小化。由单层大横向尺寸的平面GO 片组成的纳米级多层纳米膜，具有出色的机械坚固性，易于操作和转移到合适的衬底上，从而进一步与微机电设备集成。

图2 独立GO‐LbL 膜的制作和组装示意图

此外，将经典两亲分子的Langmuir单层与酶结合是保持生物大分子催化性能的一种方式。F.A.SCHLL等研究了磷脂LB 膜固定化青霉素酶（PEN），将GO 加入青霉素酶‐脂质Langmuir 单层膜中，并作为LB 膜转移到固体载体上，评估了酶的催化性能（见图3）。结果表明，GO 作为由2,2‐二羟甲基丙酸（DMPA）和PEN 组成的LB 膜的添加剂，被固定在LB 膜的PEN 中；GO 存在于酶脂LB 膜中，不仅可以调节青霉素酶的催化活性，而且有助于数周后仍保持其酶活性。研究结果加强了混合纳米结构薄膜的重要性，证明了使用由脂质、GO 和酶组成的LB 膜应用于光学生物传感器的可行性，对应用传感器的生物电子设备研究具有重要意义。

图3 磷脂LB膜固定化青霉素酶原理图

结论和展望

目前，GO薄膜的制备已趋向成熟，GO 基复合膜相关的制备技术与应用也取得了很大的进展。然而，目前的组装方法存在一定的局限性，如GO筛选合适的官能团制备高效的GO基复合薄膜的方法，有机小分子在组装过程中破坏石墨烯结构而影响应用范围，此类问题有待进一步探究。这些问题使GO基复合膜的多功能化遇到了挑战，因此寻找并开发更优异、更高效的组装方法十分必要。总体而言，GO 的特殊结构和性质使其具有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。

通信作者简介

焦体峰教授，男，博士，教授，博士生导师，燕山大学环化学院副院长，河北省“三三三人才工程”第2层次人选、河北省首批青年拔尖人才、河北省高校百名优秀创新人才。研究兴趣包括功能纳米组装材料的制备与性能、功能两亲分子/2D材料/量子点复合超分子组装结构制备与组装机理/性能，主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研课题，在Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Small, ACS Appl. Mater. Interface等期刊发表多篇学术论文，出版英文学术专著5章/部，获河北省自然科学奖3等奖1项。

引用本文

陶穆楠, 谷雯惠, 焦体峰. 氧化石墨烯基复合薄膜材料的制备技术及应用进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 13-23.

TAO M N , GU W H , JIAO T F . Preparation Technology and Application Progress of Graphene Oxide Based Composite Thin Film Materials[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2023, 36(6): 13-23.