多孔阳极氧化铝的制备及应用

常胜男，李津

1 多孔阳极氧化铝的简介

随着纳米技术的发展，纳米材料受到越来越多的关注。纳米是长度的度量单位，1纳米为十亿分之一米，即1nm=10-9m。纳米材料通常是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料因表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等而具有许多优异的物理化学功能，在众多领域发挥着越来越多的作用。

多孔阳极氧化铝是制备纳米材料的常用模板之一。纳米多孔阳极氧化铝是在金属铝表面发生阳极氧化反应而产生的一种纳米多孔材料，其由纳米级别的圆柱形孔洞组成，孔洞之间彼此平行，呈六方排列。

多孔阳极氧化铝具有优异的物理、化学、光学和热学性能，并且机械性能优异。采用沉积法、溶胶-凝胶法、热压印法等可以制备出金属、半导体、高聚物、碳材料等多种纳米材料，并且广泛应用在众多领域[1]。

2 多孔阳极氧化铝的制备方法及工艺

2.1 多孔阳极氧化铝的制备方法

多孔阳极氧化铝是金属铝在酸性电解质（硫酸、草酸、磷酸等）中通过阳极氧化而产生，其制备方法包括温和阳极氧化法、强烈阳极氧化法、脉冲式阳极氧化法和周期性阳极氧化法。

温和阳极氧化法包括一次阳极氧化法和二次阳极氧化法。自Masuda于1995年提出的二次阳极氧化法，多孔阳极氧化铝的规整度大大提高。在二次阳极氧化法中，先将抛光后的铝片置于电解质中进行一次氧化以生成纳米孔洞，随后将其除去，最后在同样的条件下进行二次氧化，所形成的的纳米孔洞因一次氧化时留下的凹坑而更加规则。二次阳极氧化法所用的电解质主要包括硫酸、草酸和磷酸，不同的电解质对应不同的最佳电压，并且形成不同孔间距的纳米多孔阳极氧化铝。温和阳极氧化法反应进行缓慢，膜生长速度约为2～6μm/h，对设备的要求较低。

强烈阳极氧化是在高于击穿电压的条件下进行阳极氧化，该方法反应剧烈，很难对阳极氧化铝的结构参数（孔间距、孔径等）进行调控。强烈阳极氧化法的膜生长速度较快，在50μm/h以上，但是反应会释放大量热能，对冷却设备要求较高。

脉冲式阳极氧化法是交替施加高电压与低电压，通过不同的电流密度而形成孔洞呈周期性变化的多孔阳极氧化铝膜。在脉冲式阳极氧化法中，在施加短时间的高电压后，紧接着施加长时间的低电压，保证高电压下产生的热量能够释放出去，从而形成孔洞排列有序的结构。

周期性阳极氧化法是采用渐进变化的电流制备多孔阳极氧化铝，通过电流的周期性变化来制备形状和孔洞周期性变化的纳米多孔阳极氧化铝[2]。

2.2 多孔阳极氧化铝的制备工艺

多孔阳极氧化铝的工艺参数包括阳极氧化电压、电解质种类及浓度、阳极氧化时间、温度等，不同的工艺参数能够得到不同的形貌结构。

阳极氧化电压对多孔阳极氧化铝的影响较大，阳极氧化电压越大，孔间距越大。电解质种类及浓度也会影响多孔阳极氧化铝的孔间距。阳极氧化时间会影响多孔阳极氧化铝的孔厚度，氧化时间越长，孔厚度越大。温度时在制备多孔阳极氧化铝时需要注意的因素，温度过高，阳极氧化产生的热量释放不出去，极易烧坏多孔阳极氧化铝。

多孔阳极氧化铝的结构参数包括孔间距、孔径、孔厚、孔隙率等，通过调节多孔阳极氧化铝的工艺参数，能够改变其结构参数，从而获得不同的形貌结构以满足不同的应用要求。

3 多孔阳极氧化铝的应用

纳米多孔阳极氧化铝的具有优异的物理、化学、光学及热学性能，并且通过简单的制备工艺能够形成独特的纳米数量级的多孔结构，通过改变工艺条件，可以获得孔洞尺寸及形貌可调的结构，这些优异的性能使得多孔阳极氧化铝成为制备纳米材料的常用模板之一。基于AAO模板，采用沉积法、溶胶凝胶法、热压印法等方法可以合成纳米线、纳米管、纳米柱等多种纳米结构的模板，在纳米功能材料的制备中占有重要地位，除此之外多孔阳极氧化铝在纳米级的传感器制备中也发挥着巨大作用。

AAO模板法在金属、半导体、高聚物、碳材料等纳米结构的合成中发挥着重要作用，金属纳米材料包括Au、Ag、Fe等纳米点、纳米线、纳米管等。半导体纳米材料包括ZnO、CuO、SnO等纳米线、纳米管等。高聚物纳米材料包括PMMA、PVDF、PI等纳米线、纳米棒、纳米管等。碳纳米材料包括石墨烯、碳纳米管等。采用相应的制备方法在AAO表面或孔腔内沉积得到的纳米材料规整度高，比表面积大，性能优异。

AAO模板法制造的传感器包括生物传感器、气体传感器、压力传感器等，由AAO制备的传感材料比表面积大，从而极大改善了传感器的传感性能[3]。