电解制备氧化铝纳米孔阵列过程中的非线性动力学机制研究

摘要

多孔氧化铝薄膜在纳米材料模板、催化合成、光伏能源、生物传感等领域广泛应用。电氧化法是多孔氧化铝薄膜的重要制备方法。传统研究认为,多孔氧化铝薄膜的形成是由于电极表面局部过量的H+在配体阴离子等协同下溶解氧化物造成的。然而,上述的电化学腐蚀机制难以合理解释纳米管自组织发育行为,更难以解释纳米管孔自组织过程中的电化学振荡现象。探究多孔氧化铝薄膜的形成机制,对此类材料的工艺调控具有重要意义。
　　本论文系统考察了多孔氧化铝纳米管阵列电合成过程中电化学振荡与纳米阵列演变之间的内在关联。基于电化学阻抗测试分析确定了自组织反应动力学机制。基于反应方程建立了二维动力学方程组,并通过非线性稳定性分析解析了电流振荡与纳米有序结构之间的关联。通过改变电解电压、电解质浓度等试验验证反应动力学模型的可靠性。作为非线性反应动力学机制研究的拓展,研究还探索了纯有机溶剂体系中的BZ振荡反应。
　　(1)多孔氧化铝薄膜阵列是铝凝胶自组织形成的,而电化学振荡与纳米孔结构密切关联。(2)电解阳极氧化铝薄膜中的电化学振荡来源于电极表面附近浓缩阳离子的自催化反应,有序的纳米孔结构产生于反应-扩散体系外层胶体之间的自组织。此项研究第一次揭示了微凝胶中间体扩散耦合对纳米有序结构形成的重要性。这为批量生产纳米有序结构以及纳米新材料提供了新思路。(3)1-乙基吡啶溴酸盐离子液体能够代替溴酸盐进行水体系BZ振荡反应。(4)采用纯乙腈配制的硝酸铈铵、丙二酸、1-乙基吡啶溴酸盐离子液体溶液可获得完美的振荡信号。相比于传统水体系BZ振荡,此体系具有振荡时间长、振幅大的特点,最重要的是不需要辅助酸。这为一些尚未解决的科学难题,例如,有机环境中生物的生命代谢、无水有机催化、矿物浮选、新型纳米材料的制备等寻找了突破口。