高度有序多孔阳极氧化铝模板的制备及其在一维结构纳米材料合成方面的应用

摘要

多孔阳极氧化铝(Porous Anodic Alumina, PAA)膜因具有高度有序的纳米孔洞阵列结构和较好的力学强度等优点，成为制备一维纳米结构材料的优良模板。本文重点研究磷酸体系电解液中大孔径PAA模板的制备和高浓度草酸电解液中高度有序PAA模板的制备，并在此基础上，结合脉冲电沉积工艺沉积金属镍底电极，成功制备出一维纳米结构的导电聚苯胺(PANI)。并通过真空熔融压注的方法，在大孔间距的PAA模板中成功制备出了金属铝纳米管。
　　首先，在1wt％的磷酸电解液中，在接近临界击穿电压条件下进行恒压阳极氧化，研究了不同的制备工艺条件对阳极化过程中击穿电压、耐压时间以及PAA膜孔间距的影响。结果表明，升压速率越慢，在临界击穿高压下可持续阳极氧化的时间越长。但对击穿电压和孔间距无影响。
　　其次，研究了在磷酸电解液体系中，提高阳极氧化临界击穿电压和耐压时间的几种方法。结果表明，含有六价铬离子(Cr6+)添加剂的磷酸电解液，相比于纯磷酸水溶液，可将临界击穿电压由190V提升至220 V，高压下持续阳极氧化时间由75 min增加至超过480 min，PAA膜孔间距由448.3 nm提升至552.2 nm，PAA膜生长速率由2.45μmh-1增加到8.60μm·h-1。而采用单取代磷酸酯水溶液作为电解液，可在常温(25℃)下制备孔间距为383.2 nm的PAA膜，PAA膜的生长速率为7.14μm·h-1。
　　另外，针对传统的低温高场阳极氧化条件下，快速制备PAA膜时易发生的电击穿问题，本文根据雪崩击穿理论，提出了在高浓度电解液中，较高温度下进行高场阳极氧化的新方法。重点研究在高浓度草酸电解液中铝的高场阳极氧化行为。探索了电解液浓度、温度以及阳极氧化电压等参数对PAA模板形貌的影响。通过测试不同阳极氧化电压下制备的PAA膜阻挡层厚度，研究了形成高场阳极氧化的关键因素。结果表明，提高草酸电解液的浓度和温度可以有效的减薄PAA膜的阻挡层厚度，实现稳定的高场阳极氧化。大幅度提高电流密度是形成高场阳极氧化制备高度规整有序PAA膜的关键因素。恒压高场阳极氧化可得到高度有序的PAA膜，其孔间距与阳极氧化电压成正比，比值约为2.3nm·V-1。这种在高浓度的草酸中，较高温度下快速制备PAA模板的方法，无需采用传统高场阳极氧化所需的强力冷却系统，无需对电解液进行搅拌，并且短时间内可以快速制备高度有序的PAA模板。
　　最后，本文采用脉冲电沉积法成功地将金属镍(Ni)沉积在PAA孔道底部，并以Ni为底电极，用循环伏安(CV)法在PAA模板中电聚合制备出了一维纳米结构PANI。此外，本文还通过真空熔融压注的方法，成功地在PAA模板中制备了金属铝纳米管。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 PAA模板制备工艺的研究进展

1．2．1 PAA膜的制备工艺

1．2．2 PAA膜阻挡层的去除工艺

1．3 基于PAA模板制各一维纳米材料的研究进展

1．3．1 PAA模板法制备一维纳米材料的优点

1．3．2 PAA模板制各一维纳米材料的常用方法

1．4 本文的主要研究目的及研究内容

1．4．1 主要研究目的

1．4．2 主要研究内容

2 磷酸体系电解液中高压制备大孔间距PAA模板的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和设备

2．2．2 PAA模板的制备

2．2．3 PAA膜的微观形貌表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 磷酸水溶液中PAA模板的制备

2．3．2 含铬舔加剂的磷酸电解液中PAA摸板的制备

2．3．3 单取代磷酸醋水溶液中PAA模板的制备

2．4 本章小结

3 草酸电解液中恒压高场阳极氧化制备PAA模板的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与设备

3．2．2 高场阳极氧化制备PAA模板

3 ．2．3 PAA膜阻挡层厚度的涌定

3．2．4 P从模板及其凹坑有序度的测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 电解液浓度的影响

3．3．2 阳极氧化电压的影响

3．3．3 老化电解液的影响

3．3．4 电解液温度的影响

3．3．5 一次氧化时间的影响

3．3．6 退火的影响

3．4 本章小结

4 PAA模板法制备一维结构纳米材料

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与设备

4．2．2 —维结构纳米PANI的模板法制各

4．2．3 一维结构纳米金属AI的模板法制各

4．2．4 一维结构纳米材料的微观形貌表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 PAA模板沉积镍后聚合PANI及测试

4．3．2 一雏结构纳米金属Al的制备工艺

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文