一种自驱动微马达及其制备方法和应用

本发明具体涉及一种自驱动微马达及其制备方法和应用。

背景技术：

1、微纳米马达(micro/nanomotor)是一种能将能量转化为机械能的分子或纳米级装置。自然界中的细菌、精子等具有鞭毛的细胞都可以被认为是一种纳米马达，它们通过三磷酸腺苷或质子功能的蛋白质马达摆动鞭毛，从而实现自主运动。

2、在过去的时间里，将外界能量转化为机械动能进行自主运动的微纳米马达技术研究进展迅速，基于微纳米马达体积小，比表面积大，表面可功能化，具有良好的自驱动性以及运动可控等诸多特点，目前在环境修复、生物传感、细菌分离和药物运输等多个领域有着广泛的应用前景，尤其是降解去除水中的污染物等环境修复。

3、微纳米马达发展至今，有多种多样的形貌，而不同的形貌对应着不同的制备方法，并且马达的自主运动的形式也跟其制备方法和形状有关。目前，其制备的方法可总结概括为4类，分别是卷曲法，模板电沉积法，气相沉积法，以及自组装法。其中，微马达设计和制备的难点是将一种或几种特定材料精细地结合起来以满足功能要求。

4、石墨烯基微电机由于其优异的性能，如良好的机械强度、丰富的表面化学性质、大的表面积和高的电子迁移率，已被广泛用于环境修复应用的设计。氧化石墨烯(go)具有机械强度大、含氧官能团丰富、电子迁移率高、比表面积大等优良的物理化学性质，而且由于石墨烯薄片之间的范德华作用和π-π相互作用，石墨烯纳米片可以进行堆叠和组装，可作为设计构造多功能自驱动微马达的良好基体材料。

5、目前，以go作为基体的微马达大多数负载金、铂等贵金属或二氧化锰等金属氧化物作为催化剂，以发生催化氧化作用，推动微马达自主运动，提高污染物去除效率，但成本相对昂贵，生物相容性较弱，稳定性较差，较难回收，制备相对繁琐耗时，有些还需要在体系外部施加磁场、光源、声源等，环境条件受到严格限制，不适宜大规模生产。

6、因此，亟需一种稳定性高，污染物去除效率高，易制备且可回收的自驱动微马达。

技术实现思路

1、为解决现有技术中自驱动微马达所存在的稳定性较差，污染物去除效率低且难以回收等缺陷，本发明提供了一种自驱动微马达及其制备方法和应用。本发明的自驱动微马达化学稳定性优异，易回收，实际应用时的污染物去除效率较高；所构建的制备方法简单易行，宜大规模生产。

2、为实现如上目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种自驱动微马达，所述自驱动微马达包含催化单元和载体，其中，

4、所述催化单元为核壳结构，所述核壳结构的核为催化剂，所述核壳结构的壳为还原氧化石墨烯；

5、所述载体为三维网状结构，所述载体为还原氧化石墨烯；

6、所述催化单元分散在所述载体的三维网状结构的网格中。

7、本发明中，所述催化剂可为金属或金属氧化物；较佳地选自铜及其氧化物、铁及其氧化物、锰及其氧化物和钛及其氧化物中的一种或多种；更佳地为氧化铜(cuo)；进一步更佳地为纳米氧化铜，所述纳米氧化铜的粒径为30-100nm。

8、cuo作为一种带隙较窄(≈1.2ev)的p型半导体，具备独特的电学、磁学和催化性能；进一步地，纳米cuo因其具备较大的比表面积、纳米级间隙结构和潜在的尺寸效应，用作催化剂时，可在过氧化氢/过硫酸钾体系中催化生成更多的羟基自由基和硫酸根自由基，进一步提高微马达对污染物的降解性能；同时还可作为吸附剂，以其高吸附容量去除水中的污染物，例如重金属离子。

9、现有技术中，纳米cuo多为纳米块结构，难以整合至载体中并稳定存在；而在本发明中，其和少量还原氧化石墨烯初步形成核壳结构时，可通过核壳结构实现其粒径的初步控制，使更易插入大量还原氧化石墨烯所形成的三维网状结构的网格中，进而保证所得自驱动微马达的稳定性。

10、本发明中，所述自驱动微马达可为水凝胶状。

11、本发明中，所述自驱动微马达可具有固定形态，所述固定形态较佳地为柱形。

12、在一些实施方案中，所述自驱动微马达为水凝胶柱，即呈水凝胶状的同时，固定形态为柱形；所述水凝胶柱的长度为4-8mm，直径为3mm。

13、本发明第二方面提供了一种自驱动微马达的制备方法，其包括如下步骤：

14、s1、将含有催化剂前驱体和氧化石墨烯的起始混合液，加热搅拌，超声反应，得第一混合液；

15、s2、将含有所述第一混合液、氧化石墨烯和还原剂的第二混合液，加热反应，即得。

16、步骤s1中，催化剂前驱体经反应得到催化剂，并包裹在初步还原得到的还原氧化石墨烯中，制得核壳结构；进一步地，步骤s2中，随着加热反应的进行，氧化石墨烯还原得到含三维网状结构的还原氧化石墨烯，该核壳结构随后即掺入该三维网状结构的网格中，最终实现了该催化剂在载体中的原位整合。

17、步骤s1中，所述氧化石墨烯和所述催化剂前驱体的质量比可为1:1-1:6。

18、步骤s1中所述氧化石墨烯和步骤s2中所述氧化石墨烯的质量比可为1:12-1:20。

19、步骤s1中，所述起始混合液可包括催化剂前驱体、氧化石墨烯和分散剂，所述起始混合液的制备可包括：将含有催化剂前驱体的分散液和含有氧化石墨烯的分散液混合。

20、其中，所述“含有催化剂前驱体的分散液”的制备优选地包括催化剂前驱体和分散剂混合，超声分散；所述“含有氧化石墨烯的分散液”的制备优选地包括将氧化石墨烯和分散剂混合，超声分散。

21、其中，所述分散剂优选为水和/或乙醇。

22、步骤s2中，所述第二混合液的制备可包括：将所述第一混合液和含有氧化石墨烯的分散液混合，超声分散，加入还原剂，再超声分散。

23、其中，所述“含有氧化石墨烯的分散液”的制备优选地包括将氧化石墨烯和水混合，超声分散；所述分散剂优选为水和/或乙醇。

24、步骤s1中，所述催化剂前驱体可为纳米氧化铜前驱体，较佳地选自醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜和氯化铜中的一种。

25、在一些实施方案中，步骤s1中，所述催化剂前驱体为硫酸铜，所述氧化石墨烯和所述硫酸铜的质量比为1:1-1:2。

26、在一些实施方案中，步骤s1中，所述催化剂前驱体为硝酸铜，所述氧化石墨烯和所述硝酸铜的质量比为1:1-1:4。

27、在一些实施方案中，步骤s1中，所述催化剂前驱体为氯化铜，所述氧化石墨烯和所述氯化铜的质量比为1:1-1:4。

28、在一些优选实施方案中，步骤s1中，所述催化剂前驱体为醋酸铜，所述氧化石墨烯和所述醋酸铜的质量比为1:1-1:6。

29、步骤s1中，所述起始混合液还可包括碱性试剂；所述碱性试剂可为本领域常规，较佳地为氢氧化钠。

30、步骤s1中，所述加热搅拌可满足以下条件中的一种或多种：①所述加热搅拌的温度为85-90℃；②所述加热搅拌的速度不低于900r/min；③所述加热搅拌的时间为4h。

31、步骤s1中，所述超声反应可满足以下条件中的一种或多种：①所述超声反应的功率不低于600w；②所述超声反应的时间不少于4h。

32、步骤s2中，所述还原剂可为本领域常规，较佳地选自葡萄糖、抗坏血酸钠和氨水中的一种或多种。

33、在一些实施方案中，步骤s2中，所述还原剂为葡萄糖、抗坏血酸钠和氨水，所述葡萄糖、抗坏血酸钠和氨水的用量比为63mg:15mg:1ml。

34、步骤s2中，所述加热反应可满足以下条件中的一种或多种：①所述加热反应的温度为95℃；②所述加热反应的时间为4-12h。

35、本发明第三方面提供了一种自驱动微马达，其由如第二方面所述自驱动微马达的制备方法制得。

36、本发明第四方面提供了一种如第一方面或如第三方面所述的自驱动微马达在废水处理中的应用。

37、其中，所述应用较佳地包括将双氧水、过硫酸盐和废水混合，并调节ph为5.0-8.0，较佳地为8.0，再放入所述自驱动微马达进行废水处理。

38、其中，所述废水较佳地为包含有机染料的废水，例如包含亚甲基蓝(mb)的废水。

39、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

40、本发明所用试剂和原料均市售可得。

41、本发明的积极进步效果在于：

42、一方面，本发明的自驱动微马达包含呈特定核壳结构的催化单元，其分散于特定载体的三维网状结构的网格中，与现有技术相比，本发明的自驱动微马达：①稳定性高，具体表现为催化剂负载量较高的情况下不易脱落、不易破碎；②可回收，可循环利用三次以上；③催化效率高，污染物去除效率可达85％以上；在环境修复领域有广泛的应用前景。

43、另一方面，本发明的自驱动微马达的制备方法在可制备具备如上优点的自驱动微马达的同时，相比现有技术，更加简单易行、可操作性更高。