一种鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合材料制备方法及在湿度传感器中的应用

本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合材料及其制备方法和在湿度传感器中的应用。

背景技术：

1、面对资源能源和生态环境的强约束，碳达峰碳中和的硬任务，先进功能材料绿色和安全发展的任务更加紧迫。近几年来，科学家对利用可持续资源替代品的发现给予了前所未有的重视，其中对来自于植物和微生物等生物质进行了深入的研究。碳基材料是由碳原子为骨架的材料体系，包括金刚石、石墨等纯碳体系和碳化硅、高分子有机物等多原子体系，由于其丰富的结构形貌、优良的力学、电学、热力学等性能备受关注。碳纳米材料在促进质子传导方面也得到广泛的关注。

2、本发明通过一步热解法，以鸟嘌呤为前驱体，在蛭石的限域空间下制备“三明治”结构的鸟嘌呤纳米管/蛭石复合材料，进一步通过引入磷酸化纳米纤维素，利用真空辅助自组装法制备鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜（g/vmt-pcncs），以期构建出活性位点丰富的高强度柔性网络、且具有优良质子/离子传导能力的一维/二维复合结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合材料及其制备方法和在湿度传感器中的应用。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素（g/vmt-pcncs）复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）鸟嘌呤纳米管/蛭石超薄碳纳米片（g/vmt）的制备

5、1.1原料预处理

6、将原料蛭石颗粒磨细，筛分蛭石粒径30-60目，然后置于过氧化氢溶液中浸泡12-48 h，抽滤去除多余的过氧化氢溶液后，将蛭石置于微波炉中加热90 s；

7、1.2鸟嘌呤纳米管/蛭石超薄碳纳米片的制备

8、将0.5 g预处理后的蛭石和4.0 g鸟嘌呤加入到50 ml超纯水中，在80 °c下机械搅拌混合48 h，然后60 °c下干燥后，得到预膨胀蛭石与鸟嘌呤的混合物；将混合物放入到管式炉中，在氮气保护下，以5 ℃/min的加热速率将混合物从室温加热到500-900 °c，并在管式炉中保持1 h，冷却至室温后，将得到的鸟嘌呤纳米管/蛭石超薄碳纳米片研磨成粉末；

9、（2）鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜的制备

10、将3 g微晶纤维素和24 g尿素加入到16 g磷酸溶液中，在80 °c下超声5 h，将混合物在11000 r/min下离心15 min后，去除上清液后，放入150°c烘箱中处理25 min，再加入超纯水在10000 r/min下离心10 min，反复离心清洗3次后，调节ph至12，在80 °c下超声4 h，最后对得到的磷酸化纳米纤维素悬浮液用超纯水透析，直到ph达到中性，并稀释至0.5mg/ml；

11、将5 mg鸟嘌呤纳米管/蛭石超薄碳纳米片加入到0.1-0.4 ml pcncs悬浮液中，然后加超纯水稀释至100 ml，在真空下过滤到0.22 μm孔径聚醚砜膜上，并于60 °c烘箱中干燥24 h，获得鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜。

12、进一步的，步骤（1）中过氧化氢溶液的浓度为30 wt%。

13、进一步的，步骤（2）中磷酸溶液的浓度为85 wt%。

14、应用：鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜作为湿敏材料在湿度传感器中的应用。

15、本发明的优点在于：

16、（1）利用蛭石的层状多孔结构和片层间的空间限制作用，鸟嘌呤分子在蛭石片层限域空间内进行自组装，形成独特的纳米管状结构；一维鸟嘌呤纳米管结构有利于快速和远距离的分子、离子传递，蛭石纳米片有助于面内传导，所制备的鸟嘌呤纳米管/蛭石二维复合材料具有孔道结构可控、气体吸附位点多、器件集成兼容性好等优点，可改善传统敏感膜的湿度传感性能。

17、（2）创制性能优异的湿度敏感材料在发展高性能气体传感器中具有重要作用，天然资源蛭石的四面体晶体中具有丰富的负电荷、良好的吸湿性和稳定性。利用蛭石自身的二维层状结构，生物质提取物鸟嘌呤在蛭石片层限域空间内自组装成纳米管状结构，形成的二维纳米复合敏感膜材料不仅能够提供丰富的传感活性位点，而且由于其孔隙和通道结构，有利于水分子的吸附和解吸，可改善传统敏感膜的传感性能。发明采用的工艺简单，成本低廉，适于大批量生产，具有优秀的快速响应恢复特性，因而在准确可靠的湿度传感检测中具有重要的应用价值。

18、（3）利用二维纳米片材料堆叠构筑长程有序的分子、离子传递通道是离子、质子传导的有效策略，而鸟嘌呤具有氢键的供体和受体，能够通过氢键自组装并在二维层面上发生重排，蛭石作为层状多孔结构，片层间具有物理限域作用，可以作为鸟嘌呤的“微型反应器”，帮助鸟嘌呤形成超薄二维纳米片和中空纳米管，通过调节蛭石片层的层间距，能够调控鸟嘌呤的形貌。然而，相邻的蛭石以及碳化后的鸟嘌呤附着力相对较弱，且蛭石的刚性较强，单纯的鸟嘌呤和蛭石难以形成具有弹性的三维网络结构。纳米纤维素的高长径比使其具有较大的比表面积和整体上的低密度，丰富的表面官能团可为其化学修饰提供多种可能性，进而为结构单元的交联提供更多的位点，并改善力学性能。因此，纳米纤维素适合构建柔性的轻质网络。本发明在片层状的鸟嘌呤和蛭石中引入纳米纤维素，辅助交联片层结构，有望形成具有较高导电性的二维薄膜。磷酸基团作为质子的供体和受体，具有两性导电特性，能够形成一个动态的氢键网络，使质子通过网络从一个基团跃迁到另一个基团，此外，磷酸基团还具有较大的极化率和水化能，能够与水形成氢键。因此，磷酸化纳米纤维素的加入可以改善材料的质子传导性，提高湿度传感性能。

技术特征：

1.一种鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中过氧化氢溶液的浓度为30wt%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中磷酸溶液的浓度为85 wt%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法制得的鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜。

5.根据权利要求4所述的鸟嘌呤纳米管/蛭石-磷酸化纳米纤维素复合膜作为湿敏材料在湿度传感器中的应用。

技术总结
本发明提供了一种鸟嘌呤纳米管/蛭石‑磷酸化纳米纤维素复合材料制备方法及在湿度传感器中的应用。以鸟嘌呤为前驱体，在二维蛭石纳米片的空间限制作用下，通过简单的热解反应，超薄的纳米片状鸟嘌呤自组装成具有中空结构的纳米管。所制备的鸟嘌呤纳米管/蛭石二维复合材料具有孔道结构可控、气体吸附位点多等优点，有利于水分子的吸附和解吸，可改善传统敏感膜的湿度传感性能。本发明采用的工艺简单，成本低廉，适于大批量生产。发明的鸟嘌呤纳米管/蛭石二维复合材料作为湿敏材料，具有响应时间短、湿滞小且重复性好的湿敏特性。

技术研发人员：唐丽荣,洪祺祺,赵澜,游昕达,吴浚伟,卢贝丽,吕建华,黄彪,陈燕丹
受保护的技术使用者：福建农林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15