基于AAO模板的电沉积法制备镍纳米线

2020/5/151主讲老师：周兆锋基于AAO模板的电沉积法制备镍纳米线阵列2020/5/152掌握多孔阳极氧化铝(AAO)模板的制备方法。熟悉电沉积镍纳米线阵列的电解液配制方法和电沉积工艺参数。一、实验目的2020/5/153二、实验原理概述多孔氧化铝膜是将金属铝置于酸性溶液中经电化学阳极氧化制备而成。铝箔在酸性溶液中阳极氧化的电化学反应机制是：阳极：H2O-2e=[O]+2H+(1)2Al+3[O]=Al2O3(2)阴极：2H++2e=H2(3)在此同时，酸对生成的氧化铝膜也进行化学溶解，其反应如下：Al2O3+6H+=2Al3++3H2O(4)由于阳极氧化过程中同时存在上述二个相反的过程，从而使多孔氧化铝的生长机理变得尤为复杂。1.多孔阳极氧化铝的成膜机理2020/5/154AAO膜可分为三层：氧化铝膜的多孔层、氧化铝膜的阻挡层和纯铝基。它们依次由腐蚀表面向内排列，其中氧化铝膜的多孔层和氧化铝膜的阻挡层构成多孔氧化铝膜。也就是说，多孔氧化铝膜是双层结构，即由外表面的多孔层和与之相接的内层阻挡层构成。氧化铝膜的多孔层是呈蜂窝状，含有高密度的纳米级孔洞；阻挡层是致密的无孔洞层。二、实验原理概述1.多孔阳极氧化铝的成膜机理2020/5/155二、实验原理概述第一阶段(AB段)，随着氧化时间的增加电流急剧下降，表明通过阳极氧化在金属铝表面迅速形成一层致密氧化膜层；阳极氧化铝时的电流-时间曲线第三阶段(CD段)，电流随时间的延长基本保持恒定，表明此阶段氧化形成速度和溶解速度基本达到平衡，微孔在不断向纵深发展。1.多孔阳极氧化铝的成膜机理第二阶段(BC段)，随着氧化时间的延长电流逐渐上升，氧化膜的生成过程中伴随着氧化膜的溶解，产生孔核，电场集中于孔核底部，导致在某些点的氧化膜被击穿，溶解速度增加，导致在这些部位形成微孔；铝的阳极氧化过程可分为三个阶段：2020/5/156通常在外电流作用下，反应物粒子在阴极表面发生还原反应并形成新相(金属)的过程，叫做金属的沉积。电沉积过程一般包括以下几个步骤；(1)液相传质步骤-反应物粒子由溶液内部向电极表面附近传送；(2)电化学转化步骤-将溶液中粒子的形态转化为界面上放电粒子的形态；(3)电子转移步骤-反应物粒子在电极表面上得到电子的反应；(4)结晶步骤-放电后粒子在界面另一边的固相表面形成新相。二、实验原理概述2.镍纳米线阵列的电化学沉积原理2020/5/1571)真空退火炉，用于高纯铝片退火。2)超声波清洗器，用于铝片的清洗。3)冰柜，用于制备AAO模板；4)稳压电源，用于制备AAO模板和电沉积镍纳米线阵列。5)制备AAO模板的装置，如图所示。6)磁控溅射镀膜机。三、实验设备及材料1.实验设备阳极氧化法制备氧化铝模板的装置示意图1.电解槽；2.电解液；3.石磨电极；4.稳压电源；5.导线；6.电流计；7.铜电极；8.铝片；9.橡胶垫；10.带内罗纹的接口2020/5/158制备AAO模板的原材料材料名称纯度用途高纯铝片99.99％制备模板高氯酸分析纯电化学抛光无水乙醇分析纯电化学抛光草酸分析纯氧化模板磷酸分析纯去一次氧化层和扩孔铬酸分析纯去一次氧化层丙酮分析纯清洗去油氯化铜分析纯去底部铝2．实验材料三、实验设备及材料2020/5/159电沉积镍纳米线阵列的原料三、实验设备及材料2．实验材料材料名称纯度Ni2SO4·6H2O分析纯NiCl·6H2O分析纯H3BO3分析纯2020/5/1510四、实验步骤与方法1)将0.3mm厚的高纯铝片(99,999%)剪成直径2.5cm的圆片，压平，用丙酮超声10min去除表面的有机物质，空气中晾干。将晾干的铝片置于真空管式炉中5000C真空退火4h。以去除铝片中残余的内应力。2)对铝片进行电化学抛光，抛光液为无水乙醇和高氯酸的混合液(体积比C2H5OH:HC1O4=3:1)。电压设置为23V，时间为30-50s，得到具有光洁表面的铝片。(d)(f)(a)(b)(c)(e)1.AAO模板的制备2020/5/15113)将抛光后的铝片放入置于冰柜中的氧化装置中，进行一次氧化，氧化电解液为0.3mol/L的草酸溶液，氧化时间为4h。(图b)四、实验步骤与方法4)一次氧化后的样品置于80℃的混合酸(6wt％H3PO4＋1.8％H2CrO4)中浸泡1h将A12O3层去除干净。(图c)5)二次阳极氧化与一次氧化条件相同，只是时间变为12h。(图d)6)将饱和氯化铜溶液滴加在二次氧化后的样品底部表面，去除背面未被氧化的金属铝层。(图e)7)将模板背面向下漂浮在30℃的5％H3PO4溶液表面70-80min，去除阻碍层，并适当扩孔。经过通孔扩孔后的模板用大量蒸馏水浸泡，以去除孔洞中残留的AlPO4和H3PO4，最后晾干备用。(图f)2020/5/1512四、实验步骤与方法2.电沉积法制备镍纳米线阵列1)配制镀液。成份配比为250g/LNi2SO4·6H2O，50g/LNiCl·6H2O，40g/LH3BO3。先按比例称量每种化合物，再将称好的Ni2SO4·6H2O和NiCl·6H2O混合放入烧杯A中，加入适量蒸馏水并加热溶解，再将H3BO3单独放入另一烧杯B中，加适量蒸馏水，并加热溶解，然后将B中溶液导入A中，最后加适量蒸馏水直到满足浓度配比。2)电沉积镍纳米线阵列。将做好的模板用磁控溅射镀膜机在背面镀铜。然后将模板放入氧化装置中，装置中倒入上步配好的电镀溶液，镀铜面背对溶液，镍板做阳极，模板做阴极，把该装置放入恒温水域，恒温55oC，电流密度为2mA/cm2，电沉积时间为20－30min。制得镍纳米线阵列2020/5/15133．实验组织和程序四、实验步骤与方法每班分成6～8组，每组4～5人。每小组参照上述配料和工艺流程，领取相应的原材料进行实验，制出镍纳米线阵列。2020/5/1514五、实验报告要求1)简述利用多孔阳极氧化铝(AAO)模板，结合电沉积工艺制备镍纳米线阵列的基本操作过程。2)分析讨论控制镍纳米线直径和长度的工艺参数及实验中的注意事项。2020/5/1515