纳米自组装多层膜的制备及电化学性质的研究

论文摘要

在过去的二十年里,各个国家的研究者们经过深入的探索,发现了多种超薄膜的制备方法。特别是在层层自组装这一领域,有着长足的进步,这是由于层层自组装这一方法在具有特殊功能性质的超薄膜的创新设计以及应用上具有非常好的效果。经过多年的发展,层层自组装技术已经变得逐渐成熟起来。自组装膜技术的发展主要经历了三个阶段,即Langmuir-Blodgett（LB）膜技术、化学吸附自组装技术和静电吸附自组装技术。LB膜是使用特殊的装置,将分散在溶液中的不溶物,按照一定的排列方式,转移到固体支持物上,从而组成单分子层或多分子层膜。化学吸附自组装技术,主要是吸附质分子与固体表面的原子、分子等,发生电子转移、交换或公有,从而在吸附质和固体表面之间形成吸附化学键,这种吸附通常只有单分子层。静电吸附自组装,是通过对两种或多种带相反电荷的聚电解质进行交替吸附,从而在固体表面交替沉积形成多层膜的技术。本文主要围绕硅基上功能自组装膜的制备与修饰、金属纳米粒子薄膜在聚电解质多层自组装膜内的制备展开了如下的工作。1、通过液相硅烷法,以辛烯基三氯硅烷为硅烷试剂,制备了端基为乙烯基的自组装膜;通过电氧化法将乙烯基膜表面局部氧化为羧基表面,并自组装上端基为甲基的十八烷基三氯硅烷,制备出同一表面上的单-双层膜;以高锰酸钾为主氧化剂,在60℃下恒温氧化将端基为乙烯基的表面氧化为羧基表面,制备出同一表面不同亲水性的单-双层膜。接触角检测显示了不同端基表面明显的亲水性差异。红外光谱证明了氧化前后薄膜端基的转化。原子力显微镜结果可以看出单-双层膜在高度和相位上的明显变化,说明得到在同一表面上不同层数的薄膜。这种在同一表面上具有不同性质端基的自组装膜模板可以应用于表面的图案化、局部离子吸附和纳米薄膜电路等方面,进而在未来微米纳米结构的电子器件的制备上取得广泛的应用。2、以层层自组装技术为基础,用壳聚糖（CTS）、硝酸银、硝酸铜、氯化镍的混合溶液和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）溶液通过静电作用形成自组装膜。用硼氢化钠溶液还原膜中的Ag+、Cu2+、Ni2+,制备了含有Ag、Cu、Ni纳米粒子的复合多层薄膜。通过紫外-可见光谱、FT-IR等测试手段可知,成功合成了金属纳米粒子复合的{CTS/Ag/PSS}n、{CTS/Cu/PSS}n、{CTS/Ni/PSS}n多层膜,同时UV-vis测试表明这种多层膜是均匀组装的。用原子力显微镜观察了纳米复合薄膜的表面形貌,纳米粒子与聚电解质之间存在穿插,并不是严格的层状结构,使得复合多层膜表面有一定的粗糙度。层层自组装聚电解质多层膜的应用也极为广泛。在生物医药上,多用于表面控释技术、靶向药物治疗、生物传感器及生物微电子器件的制备。在分离检测方面主要应用于污水处理、膜分离等。在催化领域有光催化、电催化等应用。材料制备方面多用于纳米反应器、功能纳米结构的制备。3、对制备出的Ag、Cu、Ni纳米粒子的复合多层薄膜进行电化学测试结果表明,Ag、Cu、Ni纳米粒子复合多层膜均对葡萄糖的氧化有催化作用,且镍纳米粒子复合膜的催化活性优于银纳米粒子复合膜以及铜纳米粒子复合膜。聚电解质复合金属纳米粒子的多层膜多用于有机物的电化学检测,由于金属纳米粒子的导电性以及因其小体积而产生的高比表面积和量子尺寸效应等,使其在电化学检测的应用中显示出优异的特性。本论文围绕纳米自组装多层膜的制备及性质表征展开,期望设计一种制备有机/无机纳米多层膜的简单方法,并实现其组分、层数的可控调节,为原位合成可控粒径和密度的多种纳米粒子提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 自组装多层膜
• 1.1.1 自组装技术
• 1.1.2 自组装膜的发展
• 1.1.3 自组装膜技术的比较
• 1.2 自组装膜的表征技术
• 1.2.1 接触角检测
• 1.2.2 红外光谱法
• 1.2.3 X 射线光电子能谱
• 1.2.4 循环伏安法
• 1.2.5 扫描隧道显微镜
• 1.2.6 原子力显微镜
• 1.3 自组装膜的应用
• 1.3.1 表面改性技术
• 1.3.2 基底表面的图案化
• 1.3.3 生物医药的应用
• 1.3.4 分离检测的应用
• 1.3.5 电催化应用
• 1.3.6 纳米材料制备中的应用
• 1.4 本论文的设想及研究内容
• 第二章 硅基上自组装单-双层膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂及仪器
• 2.2.2 基底的预处理
• 2.2.3 溶剂的提纯
• 2.2.4 乙烯基表面自组装膜的制备
• 2.2.5 单-双层模板的制备
• 2.2.6 单-双层模板的表面修饰
• 2.2.7 单-双层自组装膜的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 红外检测
• 2.3.2 接触角检测
• 2.3.3 原子力显微镜检测
• 2.4 本章小结
• 第三章 聚电解质多层膜掺杂银、铜、镍纳米粒子的的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂及仪器
• 3.2.2 基底的预处理
• 3.2.3 溶液的配制
• 3.2.4 多层膜的制备
• 3.2.5 多层膜的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 聚电解质复合多层膜的紫外-可见光谱
• 3.3.2 聚电解质复合多层膜的红外光谱
• 3.3.3 多层膜的原子力显微镜图
• 3.4 本章小结
• 第四章 聚电解质复合多层薄膜的电化学性质
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂及仪器
• 4.2.2 基底的预处理
• 4.2.3 溶液的配制
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电化学性质测试
• 4.3.2 银纳米粒子复合膜电极对葡萄糖的电催化氧化
• 4.3.3 铜纳米粒子复合膜电极对葡萄糖的电催化氧化
• 4.3.4 镍纳米粒子复合膜电极对葡萄糖的电催化氧化
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 致谢