[发明专利]一种石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件

说明书

一种石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件，涉及离子分离器件。离子分离器件设有金属负极、负极基底、盐水入口、淡盐水出口、浓盐水出口、Y形通道和正极基片；所述金属负极包覆有石墨烯纳米多孔膜，金属负极预埋在负极基底中，金属负极有一个面露出负极基底，盐水入口、浓盐水出口和淡盐水出口相互连通并形成盐水、浓盐水、淡盐水三条通道，金属负极位于淡盐水通道中并靠近盐水、浓盐水、淡盐水三条通道交叉处，金属负极暴露在淡盐水通道中。先制备石墨烯纳米多孔膜包覆的金属电极，再制作石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件。制作简单、成本低、离子分离效果好、可大规模集成与应用，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及离子分离器件，尤其是涉及一种石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件及其制备方法。

背景技术

离子浓差极化的原理是在直流偏压产生的电场作用下，离子通过具有阴/阳离子选择透过性的纳米通道时，阴/阳离子通过，阳/阴离子被排斥，在纳米通道两边为了保持电中性，使阴阳离子交换达到静态平衡，就会产生浓差极化现象，出现离子耗尽区和离子富集区。浓差极化器件就是通过离子耗尽区和富集区的作用实现离子分离。利用离子浓差极化原理制作的微流控离子分离器件可以应用于海水淡化、药物合成筛选、卫生检疫、司法鉴定等众多领域，具有广泛的应用前景。

以在海水淡化方面的研究为例。在2010年Sung Jae Kim团队([1]Sung Jae Kim,Sung Hee Ko,Kwan Hyoung Kang.Direct seawater desalination by ionconcentration polarization[J].Nature nanotechnology:2010,34:297-301)提出了一种平面形浓差极化海水淡化芯片。该种芯片具有两层结构，下层是玻璃片基底，上层是利用模具制作的PDMS凹模，具有提供海水通过的Y形通道和V形缓冲溶液通道，两个通道通过一个填注Nafion聚合物的切口相连接。该模形证实了将离子浓差极化原理应用于海水中离子与水分子的分离而制作海水淡化芯片的可行性，但是由于作为阳离子选择透过膜的Nafion微通道与Y形通道的连接方式为点连接，产生的耗尽区在通海水时很容易被冲破，而且缓冲溶液通道的设计增加了芯片系统的复杂性。在芯片集成应用时，也极大增加了集成系统的复杂性。2014年Brendan D.MacDonald团队([2]Brendan D.MacDonald,Max M.Gong,PeiZhang.Out-of-plane ion concentration polarization for scalable waterdesalination[J]:Lab on a Chip:2014,14:681-685)提出了一种立体形浓差极化海水淡化芯片。该芯片具有三层结构，最下面一层为玻璃片基底，其余两层都是PMMA材料，第二层为海水通过的Y形通道，第三层为“一”字形缓冲溶液通道。Y形通道、缓冲溶液通道。同样，该芯片的缓冲溶液通道的设计工艺要求高，加工难度大，成本高。

总之，现有的离子分离器件均由正电极、微米通道、纳米通道、缓冲溶液通道、辅助电极构成。器件的设计和制作复杂性不利于其实用化。开发一种结构简单、基于浓差极化的离子分离器件势在必行。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件及其制备方法。

所述石墨烯基薄膜包覆金属作为电极材料的离子分离器件设有金属负极、负极基底、盐水入口、淡盐水出口、浓盐水出口、Y形通道和正极基片；所述金属负极包覆有石墨烯纳米多孔膜，金属负极预埋在负极基底中，金属负极有一个面露出负极基底，盐水入口、浓盐水出口和淡盐水出口相互连通并形成盐水、浓盐水、淡盐水三条通道，金属负极位于淡盐水通道中并靠近盐水、浓盐水、淡盐水三条通道交叉处，金属负极暴露在淡盐水通道中。

所述金属负极在平行于淡盐水通道走向上的宽度可为1～1000μm。

所述负极基底可采用PDMS负极基底。