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氧化钛、硫化铜纳米结构表面润湿特性及其应用

氧化钛、硫化铜纳米结构表面润湿特性及其应用

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作者：刘树西北师范大学

学位级别：硕士

表面润湿性是固态材料重要特性,主要受材料表面化学成分和表面微纳结构的调控,可出现超润湿态,如超亲水、超疏水。在耐腐蚀、抗菌、防冻、自清洁、油水分离、传感器等方面已有广泛应用。但随着应用场景的复杂化,对固态表面润湿性的可控... 详细信息

表面润湿性是固态材料重要特性,主要受材料表面化学成分和表面微纳结构的调控,可出现超润湿态,如超亲水、超疏水。在耐腐蚀、抗菌、防冻、自清洁、油水分离、传感器等方面已有广泛应用。但随着应用场景的复杂化,对固态表面润湿性的可控性和智能化要求越来越苛刻,进而发展出由外界激励,如光、电、热、磁等诱导固体表面化学成分或者表面微结构发生变化,进而激励固体表面发生润湿性转变,这为固体表面润湿性的精确调控和智能化提供了全新的思路。金属氧(硫)化物,如氧化钛(TiO),硫化铜(Cu S)等,内部和表面均易于引入空位缺陷,其物性敏感于光、电、热等外界激励,是非常利于智能化固体润湿表面和器件的设计、开发。基于介电润湿的传感器有巨大优势,如响应灵敏、实时驱动、可控制微量液滴等,但也存在着可逆性差、制备复杂、驱动电压过高等问题。基于润湿态转变的智能化按需油水分离要求网状或者孔型基材表面润湿转变受到外界激励的精密调控和稳定激励。因此,基于以上考量,我们以“氧化钛、硫化铜纳米结构表面润湿特性及其应用”为题,从以下几个方面开展工作,并获得了一系列有价值的结果:(1)基于空间电荷极化理论,使用脉冲阳极氧化法,在电压波形中引入反向电压进行还原,制备了一种竹节状TiO纳米管阵列。反向电压的引入,使制备的TiO纳米管阵列中产生了大量的氧空位。竹节状分层结构的产生,也为空间电荷极化提供了大量界面,在整个介电润湿系统加电后,使竹节状TiO纳米管阵列中积累了大量的自由电荷,这大大增强了TiO纳米管阵列的空间电荷极化。因此,相较于直管状样品,竹节状TiO纳米管阵列的电容明显增加,这也进一步使其介电润湿的响应明显增强。此外,利用制备的竹节状TiO纳米管阵列,设计了一种可视化传感器,可用于检测氯化钠和葡萄糖的浓度。特别是对于低浓度的氯化钠和葡萄糖溶液具有很高的灵敏度。(2)简单、快速、大规模制备用于按需油水分离的铜网仍然是一个挑战。采用一步阳极氧化法在铜网基底上制备了银耳状CuO@CuS纳米片,带有银耳状CuO@CuS纳米片的铜网具有优异的机械稳定性和耐腐蚀性。新鲜制备且无任何有机物修饰改性的银耳状CuO@CuS纳米片呈现超亲水性和水下超疏油性。然而在室温下、大气环境中存放六天后,润湿性逐渐转变为超疏水性和超亲油性。再次将超疏水性的银耳状CuO@CuS纳米片在空气中进行200℃的加热后,样品表面的润湿性又一次恢复到了初始的超亲水性和水下超疏油性。因此,通过存放-加热的操作,制备的银耳状CuO@CuS纳米片可实现稳定的可逆润湿性转变。并且,我们详细地研究了润湿性转变的机理,并给出了具有说服力的解释。最后,所制备的覆有银耳状CuO@CuS纳米片的铜网已成功用于按需油水分离,并且有很高的分离效率。

关键词：超润湿表面智能表面材料按需油水分离介电润湿(EWOD) 空间电荷极化可视化传感器

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