哈尔滨工业大学Adv. Funct. Mater.：新型石墨烯基开孔微球网络，实现超疏水与超亲水性的超快可逆转化

【引言】

具有可逆超浸润性（在空气中表现为超疏水或超亲水性）的智能材料在自清洁，可控油水分离以及微液滴操纵等方面具有重要的应用价值。目前通过施加外场，如紫外光辐照，等离子体处理，调控温度及pH等，实现材料表面超疏水性与超亲水性间的可逆转化已经成为一个研究热点。但是较长的转化时间和复杂的转化工艺严重限制了此类材料的实际应用。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所赫晓东教授，王荣国教授团队通过皮克林乳液技术和蒸汽溢出的简单方法研制出了一种超疏水的石墨烯基材料。该材料具有微纳分级网络结构，其表面通过等离子处理1 s后便能从超疏水状态转化为超亲水状态，显著缩短了转化时间（文献可见报道最短转化时间为25 s）。这种具有超亲水性的OCGN在水下表现出超疏油性，并且其对水下油滴的黏附性可控，利用此种特性可完成水下微油滴的定向运输。同时，该材料还具备通电发热的特性，仅在施加低电压的条件下，就能在短时间内达到高温状态。结合电热特性，该团队首次利用焦耳热在最短1 min时间内实现了OCGN表面超疏水性的超快恢复。这种具有超快可逆转化的超浸润材料在构建智能超浸润表面领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Ultrafast, Reversible Transition of Superwettability of Graphene Network and Controllable Underwater Oil Adhesion for Oil Microdroplet Transportation”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。博士生丁国民为第一作者，指导老师为王荣国教授和矫维成教授，并为共同通讯作者，哈尔滨工业大学为该论文唯一署名单位。

【图文解读】

图1 石墨烯基开孔微球网络结构（OCGN）的物理结构

a）原始OCGN的SEM图像和疏水角；

b）空气等离子体处理10 s 后OCGN的SEM图像和疏水角；

c）通过焦耳热恢复后OCGN的SEM图像和疏水角；

d）OCGN开孔微球网络结构的形成机理；

e）通过焦耳热恢复后OCGN的放大SEM图像。

图2 不同OCGN的化学结构

a）不同OCGN的XPS Survey scan图谱；

b）不同OCGN的O/C比例；

c）不同OCGN的拉曼图谱；

d-f） 不同OCGN的C 1s图谱。

图3 等离子处理时间与亲水性的关系

a）等离子体处理时间与OCGN及还原石墨烯膜（RGF）表面接触角关系；

b）不同等离子体处理时间后，OCGN和 RGF的接触角照片；

c）水滴在OCGN上的铺展照片；

d）水滴在不同OCGN上的铺展时间。

图4 OCGN的焦耳热性能与超疏水性的恢复

a）不同OCGN的焦耳热性能曲线；

b）通电状态下OCGN的红外热像图；

c）接触角随加热时间的变化及不同OCGN超疏水性恢复的时间；

d）OCGN超浸润性转化10次。

图5 OCGN可控的水下油滴黏附性

a）不同OCGN水下疏油性照片；

b）不同OCGN对水下油滴的接触角与黏附力；

c）不同OCGN水下浸润机制示意图；

d）水下微油滴的定向输运。

【小结】

本文利用制备皮克林乳液和蒸汽溢出的方法制得了一种具有微观开孔结构的超疏水石墨烯基网络结构OCGN。所制得的OCGN能够在空气等离子体处理下超快地转化为超亲水材料（1 s），并且凭借其本身优异的焦耳热性能实现了超疏水性的超快恢复（1 min）。这种具有超快可逆的超浸润性材料在构建智能材料方面具有重要价值。另外，通过控制等离子体处理时间可调控该材料在水下对油滴的黏附力。利用这种具有可控黏附力的水下超疏油材料可以实现微油滴的定向运输。

文献连接：Ultrafast, Reversible Transition of Superwettability of Graphene Network and Controllable Underwater Oil Adhesion for Oil Microdroplet Transportation(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.2017066861706686.)

本文由王荣国教授团队供稿，特此感谢！

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