阳极氧化法TiO纳米管多孔结构的形成机制及孔参数控制

摘要

高度有序的TiO2纳米管具有优异的光电性能，在储能、光催化、光伏、传感等领域获得了广泛应用。因此，全面研究各影响参数对于阳极氧化TiO2纳米管阵列的形成进程及结构的影响意义重大。 本文主要采用工业纯钛（TA1）作为阳极，以Pt片为阴极，在质量分数0.1％～1.0％HF溶液中，电压0.4～20V，温度5～40℃范围内进行恒压阳极氧化制备TiO2纳米管阵列。使用电化学工作站测试了线性扫描阳极极化曲线及阳极氧化过程中的电流密度-时间（I-t）曲线；并使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对TiO2纳米管阵列进行微观形貌观察。试验中研究了氧化电压、氧化时间、HF含量、电解液温度、pH值、有机溶剂、超声辅助等工艺参数对TiO2纳米管阵列微观形貌的影响；通过热处理和高能喷丸的方法调节基体原始组织，并研究晶粒尺寸和马氏体相变对于纳米管阵列形貌的影响。开展了纳米管形成机理的研究，建立起阳极氧化进程与I-t曲线的联系，在大量试验和理论研究的基础上，获得了纳米管参数控制的有效方法。 试验结果表明：阳极氧化工艺参数对氧化膜的形成速度、纳米孔孔径、纳米管阵列长度有显著影响。可以利用I-t曲线确定TiO2纳米管获得稳定生长的时间；在一定范围内降低电压、提高电解液浓度以及升高电解液温度，均有利于在短时间内形成结构稳定的TiO2纳米管。提高电压对于获得大管径纳米管至关重要；氧化时间是阳极氧化初期影响纳米管孔参数的决定因素；提高电解液pH值或降低反应温度，纳米管长度增长；加入丙三醇、采用超声辅助等方法有利于获得有序度高的TiO2纳米管阵列；基体的原始组织决定了纳米管阵列的有序度和平整度。