能反映環境濕度的智能型熒光薄膜的制備方法

【摘要】通過電解氧化法在金屬鋁基板上生成一層致密氧化鋁層作為鋁基底，再采用原位生長法在該基底上生成層板垂直鋁基底排列的苯甲酸根插層水滑石薄膜，在層間形成含有大量苯環的疏水性環境，然后將N-乙基咔唑固定于水滑石層間，該薄膜的熒光光譜的反射強度隨周圍環境的濕度變化呈現出規律性變化，該材料可大規模應用于工農業等領域的濕度實時監測領域。

【關鍵詞】水滑石膜 濕度 N-乙基咔唑

濕度是反映環境空氣干燥程度的物理量。在工農業生產、氣象、環保、科研等部門，對環境濕度進行實時測量和控制具有重要的意義。例如，在存放金屬的倉庫里濕度過高可加速腐蝕;在水果倉庫中濕度對水果的成熟速度具有重要的影響;此外許多物料比如化學藥劑、煙、酒、食品、木材、藝術品、集成電路等等也要求在一定的濕度條件下存放或運輸。因此在許多倉庫、博物館、圖書館、計算機中心和一定的工廠（比如微電子工業）中都要實時檢測室內的濕度，并使用空調、除濕機等專業設備控制濕度在合理范圍。濕度的測量從原理上劃分有二、三十種之多，常見的濕度測量方法有：動態法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和電子式傳感器法等。但這些方法對測試條件要求普遍較高，在惡劣條件下（如高溫高壓、有腐蝕性氣體存在以及處于運動狀態時）都無法應用。因此研發一種能在上述惡劣條件下較準確測定空氣濕度的方法具有重要的意義。

1、反映環境濕度的智能型熒光薄膜材料合成

水滑石類化合物是一類典型的陰離子型粘土，其主體層板一般由二元或多元金屬氫氧化物構成，又稱為層狀雙羥基復合金屬氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）。在LDHs結構中二價和三價金屬離子的氫氧化物相互間高度分散并以共價鍵構成主體層板，并且富含正電荷;層間陰離子有序排布，以靜電力平衡主體層板電荷，兩者有序排列而形成三維晶態結構。LDHs的化學組成可水分子的個數。水滑石化學穩定性良好，具有強的抗熱和耐腐蝕性能，且LDHs層板金屬離子可調變，層間陰離子具有可交換性，多種功能性陰離子都可通過離子交換進入層間，得到各種功能性復合材料。而LDHs薄膜材料更有利于實現功能LDHs材料的器件化，顯著拓寬了其在工業上的應用。目前水滑石材料成膜的方法主要有：溶劑蒸發法，層層組裝法，原位生長法;其中原位生長法是在鋁基底上直接生長得到，成膜后具有不易脫落、機械強度大，耐腐蝕性強等優點，因此得到了越來越多的關注和應用。

咔坐是一種很重要的含氮原子的雜環類有機化合物，作為精細化學品的中間體，在諸如偶氮染料、有機發光材料、醫藥、橡膠助劑等領域有廣泛的應用。特別是咔唑及其衍生物分子具有大的共軛體系及強的分子內的電子轉移，具有熒光量子效率高、發光波長窄、色純度好等優點。而且咔哩的熒光發射光譜的強度受溶劑極性的影響較明顯，因此目前已成為優良的光學材料。

能反映環境濕度的智能型熒光薄膜材料即N-乙基咔唑與苯甲酸根插層的水滑石薄膜，是先通過電解氧化法在金屬鋁基板上生成一層致密氧化鋁層作為鋁基底（AAO/AI），再采用原位生長法在該基底上生成層板垂直鋁基底排列的苯甲酸根插層水滑石薄膜，在層間形成含有大量苯環結構的疏水性環境;然后將N-乙基咔哩引入并固定于苯甲酸根修飾的水滑石層間。

2、智能型熒光薄膜材料的表征

將制得的智能型熒光薄膜材料進行XRD、掃描電鏡表征，并研究其熒光性能。這些表征顯示成功制備了N-乙基咔哩與苯甲酸根插層的水滑石薄膜。由XRD結構參數可知苯甲酸根在水滑石層間采取軸線垂直層板的單層排列方式，N-乙基咔噢進入層間后，層間距并沒有增大，這是由于N-乙基咔唑的分子較小，且原位生長于鋁基底上的水滑石層板間距很難擴張，故N-乙基咔唑分子采取兩個苯環連線平行水滑石層板的排列方式。在N-乙基咔哩進入水滑石層間前后，其晶胞參數a值保持不變且和水滑石粉體相近，表明產物具有完整的層狀結構。

從掃描電鏡照片中可以看出，制備得到的N-乙基咔唑與苯甲酸根插層水滑石薄膜中，水滑石層板垂直于基底，并且排列較致密。在熒光光譜中，觀察到N-乙基咔唑的插層LDHs受激發后能發出明顯的熒光，并且發射的熒光強度隨周圍濕度的增加而增加，最大發射波長隨濕度增加稍微向紅波方向移動。這是由于隨著周圍濕度增加，水滑石層間的含水量也相應增加，從而增加了層間環境的極性，使得N-乙基咔唑的熒光光譜增強。

3、結論

利用水滑石層間苯甲酸根提供的富含離域π鍵的疏水環境，可以將具有優良熒光特性的N-乙基咔唑組裝進入水滑石層間，實現N-乙基咔唑的固定化和高分散化，制備出了插層結構穩定、機械強度高、耐腐蝕的N-乙基咔唑與苯甲酸根插層的水滑石材料。發現該薄膜的熒光光譜的反射強度隨周圍環境的濕度變化呈現出規律：性變化，可以預期該材料可大規模應用于工農業生產等領域的濕度實時監測領域。

參考文獻：

[1]陸軍，劉曉磊，史文穎，王心蕊，衛敏，段雪.水滑石類插層組裝功能材料[J].石油化工，2008（37）：539.