[发明专利]一种石墨烯-多孔膜-石墨烯三明治液池结构及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构及其制备方法和应用，属于材料领域。本发明的制备方法包括将厚度、尺寸可控的多孔膜与石墨烯贴合后得到石墨烯‑多孔膜复合结构，随后将其转移至金属微栅上，得到金属微栅‑石墨烯‑多孔膜复合结构；在所述金属微栅‑石墨烯‑多孔膜复合结构上再转移一片自支撑的石墨烯膜构成石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构，其中，液体被封装在多孔膜的圆柱形的孔洞中，同时上、下表面分别被石墨烯封装。本发明的石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构可进行液相电镜成像或冷冻电镜成像。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及的是一种石墨烯-多孔膜-石墨烯三明治液池结构及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，透射电子显微镜技术快速发展，成像分辨率不断提升，能够在原子尺度上揭示物质的微观结构，同时成像维度从最初的二维成像向多维度成像推进。冷冻电镜三维重构技术、原子断层扫描技术等能够解析单颗粒样品原子级分辨率的三维结构；而原位液相电镜技术实现了液相中粒子的实时高分辨表征，能够实现粒子的时间分辨和空间分辨的四维成像，有助于揭示化学反应过程中的构效关系和内在机理。该技术主要通过构筑“液池结构”实现液相中粒子的原位表征，其基本原理如同生物体的细胞，用“细胞膜”封装溶液以得到溶液中粒子实时的运动信息。液池结构既使样品免受高真空、强电子束辐照的破坏，又给微观粒子提供了自由的运动环境。通过对液池结构的调控、使用高灵敏度的电子探测仪以及先进的3D重构软件，研究人员不仅可以观察到纳米颗粒的成核、生长、运动等过程，还可以重构出样品的高分辨三维结构等信息，很适合金属纳米颗粒催化剂、生物蛋白等样品的原位高分辨表征。基于此优势，原位液相TEM表征技术在纳米科学、生命科学等领域有广阔的应用前景。

随着原位液相TEM技术的不断发展，样品制备逐渐成为限制分辨率进一步提高的首要障碍之一。目前构成液池的材料主要有氮化硅和石墨烯两种，传统的氮化硅薄膜的厚度通常为50～500nm，封装液体厚度也大于1μm，严重降低了TEM的成像分辨率。而石墨烯具有优异的电学、力学、光学性质，是一种理想的透射电镜载网材料。规则排列的碳单原子层极大降低了成像背景噪音，为单原子和有机小分子等提供极高的衬度。石墨烯良好的导电性和导热性能够降低电子对样品的辐射损伤，高的机械强度保证了有效地负载样品。而石墨烯层间的π-π相互作用很强，因此可以实现对液体的良好封装。近年来，石墨烯液池结构逐渐成为原位液相TEM领域的研究热点，广泛的应用于纳米科学、能源科学和生命科学研究中。

传统的石墨烯液池利用了石墨烯层间的π-π相互作用，将两片石墨烯对贴在一起，这种液池结构制备简单，液池密封性良好，但液池的形成是随机的，液池的厚度、体积不均一，在成像时需要进行大量的筛选，寻找合适大小的液池进行表征，导致数据采集效率很低。此外，传统的石墨烯液体池的构筑通常需要用高分子(如PMMA)辅助进行石墨烯的转移，除胶过程一方面会对体系产生破坏，另一方面也会造成残胶污染的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种石墨烯-多孔膜-石墨烯三明治液池结构及其制备方法和应用，本发明的石墨烯-多孔膜-石墨烯三明治液池结构用于多维度电子显微镜成像，能精确控制液体池的厚度与体积，阵列化的结构有利于高效率的数据采集；与此同时，对液池结构进行冷冻能够得到厚度均匀的冰层，在高分辨冷冻电镜成像领域有重要的应用前景。

本发明首先提供了一种金属微栅-石墨烯-多孔膜复合结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备漂浮在水面上的多孔膜；

(2)将金属基底上的石墨烯正面朝上浸入水中，自下而上将所述多孔膜捞起，得到多孔膜-石墨烯-金属基底复合结构；

(3)湿法刻蚀所述多孔膜-石墨烯-金属基底复合结构中的金属基底，得到液面上自支撑的多孔膜-石墨烯复合膜；

(4)将固定有批量金属微栅的基底浸没在所述多孔膜-石墨烯复合膜所在的液体中，自下而上将所述多孔膜-石墨烯复合膜捞起，得到所述金属微栅-石墨烯-多孔膜复合结构；