基于AAO模板的電沉積法制備鎳納米線課件

2023/8/91主講老師：周兆鋒基于AAO模板的電沉積法制備鎳納米線陣列2023/8/81主講老師：周兆鋒基于AAO模板的2023/8/92

掌握多孔陽極氧化鋁(AAO)模板的制備方法。熟悉電沉積鎳納米線陣列的電解液配制方法和電沉積工藝參數(shù)。一、實驗?zāi)康?023/8/82一、實驗?zāi)康?023/8/93二、實驗原理概述多孔氧化鋁膜是將金屬鋁置于酸性溶液中經(jīng)電化學(xué)陽極氧化制備而成。鋁箔在酸性溶液中陽極氧化的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是：陽極：H2O-2e=[O]+2H+(1)2Al+3[O]=Al2O3 (2)

陰極：2H++2e=H2(3)在此同時，酸對生成的氧化鋁膜也進(jìn)行化學(xué)溶解，其反應(yīng)如下：

Al2O3+6H+=2Al3++3H2O(4)由于陽極氧化過程中同時存在上述二個相反的過程，從而使多孔氧化鋁的生長機(jī)理變得尤為復(fù)雜。1.多孔陽極氧化鋁的成膜機(jī)理2023/8/83二、實驗原理概述多孔氧化鋁膜是將金屬鋁置2023/8/94AAO膜可分為三層：氧化鋁膜的多孔層、氧化鋁膜的阻擋層和純鋁基。它們依次由腐蝕表面向內(nèi)排列，其中氧化鋁膜的多孔層和氧化鋁膜的阻擋層構(gòu)成多孔氧化鋁膜。也就是說，多孔氧化鋁膜是雙層結(jié)構(gòu)，即由外表面的多孔層和與之相接的內(nèi)層阻擋層構(gòu)成。氧化鋁膜的多孔層是呈蜂窩狀，含有高密度的納米級孔洞；阻擋層是致密的無孔洞層。二、實驗原理概述1.多孔陽極氧化鋁的成膜機(jī)理2023/8/84AAO膜可分為三層：氧化鋁2023/8/95二、實驗原理概述第一階段(AB段)，隨著氧化時間的增加電流急劇下降，表明通過陽極氧化在金屬鋁表面迅速形成一層致密氧化膜層；

陽極氧化鋁時的電流-時間曲線第三階段(CD段)，電流隨時間的延長基本保持恒定，表明此階段氧化形成速度和溶解速度基本達(dá)到平衡，微孔在不斷向縱深發(fā)展。1.多孔陽極氧化鋁的成膜機(jī)理第二階段(BC段)，隨著氧化時間的延長電流逐漸上升，氧化膜的生成過程中伴隨著氧化膜的溶解，產(chǎn)生孔核，電場集中于孔核底部，導(dǎo)致在某些點的氧化膜被擊穿，溶解速度增加，導(dǎo)致在這些部位形成微孔；鋁的陽極氧化過程可分為三個階段：2023/8/85二、實驗原理概述第一階段(AB段)，隨著2023/8/96

通常在外電流作用下，反應(yīng)物粒子在陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)并形成新

相(金屬)的過程，叫做金屬的沉積。電沉積過程一般包括以下幾個步驟；

(1)液相傳質(zhì)步驟-反應(yīng)物粒子由溶液內(nèi)部向電極表面附近傳送；

(2)電化學(xué)轉(zhuǎn)化步驟-將溶液中粒子的形態(tài)轉(zhuǎn)化為界面上放電粒子的形態(tài)；

(3)電子轉(zhuǎn)移步驟-反應(yīng)物粒子在電極表面上得到電子的反應(yīng)；

(4)結(jié)晶步驟-放電后粒子在界面另一邊的固相表面形成新相。二、實驗原理概述2.鎳納米線陣列的電化學(xué)沉積原理2023/8/86通常在外電流作用下，反應(yīng)2023/8/971)

真空退火爐，用于高純鋁片退火。

2)超聲波清洗器，用于鋁片的清洗。

3)冰柜，用于制備AAO模板；

4)穩(wěn)壓電源，用于制備AAO模板和電

沉積鎳納米線陣列。

5)

制備AAO模板的裝置，如圖所示。

6)磁控濺射鍍膜機(jī)。三、實驗設(shè)備及材料1.實驗設(shè)備

陽極氧化法制備氧化鋁模板的裝置示意圖1.電解槽；2.電解液；3.石磨電極；4.穩(wěn)壓電源；5.導(dǎo)線；6.電流計；7.銅電極；8.鋁片；9.橡膠墊；10.帶內(nèi)羅紋的接口2023/8/871)

真空退火爐，用于高純鋁片退火。

2)2023/8/98制備AAO模板的原材料材料名稱純度用途高純鋁片99.99％制備模板高氯酸分析純電化學(xué)拋光無水乙醇分析純電化學(xué)拋光草酸分析純氧化模板磷酸分析純?nèi)ヒ淮窝趸瘜雍蛿U(kuò)孔鉻酸分析純?nèi)ヒ淮窝趸瘜颖治黾兦逑慈ビ吐然~分析純?nèi)サ撞夸X2．實驗材料三、實驗設(shè)備及材料2023/8/88制備AAO模板的原材料材料名稱純度用途2023/8/99電沉積鎳納米線陣列的原料三、實驗設(shè)備及材料2．實驗材料材料名稱純度Ni2SO4·6H2O

分析純NiCl·6H2O

分析純H3BO3分析純2023/8/89電沉積鎳納米線陣列的原料三、實驗設(shè)備及材料2023/8/910四、實驗步驟與方法

將0.3mm厚的高純鋁片(99,999%)剪成直徑2.5cm的圓片，壓平，用丙酮超聲10min去除表面的有機(jī)物質(zhì)，空氣中晾干。將晾干的鋁片置于真空管式爐中5000C真空退火4h。以去除鋁片中殘余的內(nèi)應(yīng)力。對鋁片進(jìn)行電化學(xué)拋光，拋光液為無水乙醇和高氯酸的混合液(體積比C2H5OH:HC1O4=3:1)。電壓設(shè)置為23V，時間為30-50s，得到具有光潔表面的鋁片。(d)(f)(a)(b)(c)(e)1.AAO模板的制備2023/8/810四、實驗步驟與方法將0.3mm厚的2023/8/911將拋光后的鋁片放入置于冰柜中的氧化裝置中，進(jìn)行一次氧化，氧化電解液為0.3mol/L的草酸溶液，氧化時間為4h。(圖b)四、實驗步驟與方法一次氧化后的樣品置于80℃的混合酸(6wt％H3PO4＋1.8％H2CrO4)中浸泡1h將A12O3層去除干凈。(圖c)二次陽極氧化與一次氧化條件相同，只是時間變?yōu)?2h。(圖d)將飽和氯化銅溶液滴加在二次氧化后的樣品底部表面，去除背面未被氧化的金屬鋁層。(圖e)將模板背面向下漂浮在30℃的5％H3PO4溶液表面70-80min，去除阻礙層，并適當(dāng)擴(kuò)孔。經(jīng)過通孔擴(kuò)孔后的模板用大量蒸餾水浸泡，以去除孔洞中殘留的AlPO4和H3PO4，最后晾干備用。(圖f)2023/8/811將拋光后的鋁片放入置于冰柜中的氧化裝置中2023/8/912四、實驗步驟與方法2.電沉積法制備鎳納米線陣列配制鍍液。成份配比為250g/LNi2SO4·6H2O，50g/LNiCl·6H2O，40g/LH3BO3。先按比例稱量每種化合物，再將稱好的Ni2SO4·6H2O和NiCl·6H2O混合放入燒杯A中，加入適量蒸餾水并加熱溶解，再將H3BO3單獨放入另一燒杯B中，加適量蒸餾水，并加熱溶解，然后將B中溶液導(dǎo)入A中，最后加適量蒸餾水直到滿足濃度配比。電沉積鎳納米線陣列。將做好的模板用磁控濺射鍍膜機(jī)在背面鍍銅。然后將模板放入氧化裝置中，裝置中倒入上步配好的電鍍?nèi)芤?，鍍銅面背對溶液，鎳板做陽極，模板做陰極，把該裝置放入恒溫水域，恒溫55oC，電流密度為2mA/cm2，電沉積時間為20－30min。制得鎳納米線陣列2023/8/812四、實驗步驟與方法2.電沉積法制備鎳2023/8/9133．實驗組織和程序四、實驗步驟與方法

每班分成6～8組，每組4～5人。每小組參照上述配料和工藝流程，領(lǐng)取相應(yīng)的原材料進(jìn)行實驗，制出鎳納米線陣列。2023