多孔阳极氧化铝模板在纳米材料方面的制备及应用

常胜男

(天津工业大学，天津 300000)

1 引言

尺寸介于纳米尺度范围的材料具有许多传统材料所不具备的性能，纳米材料因表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等受到越来越多的研究，并广泛应用于电学、光学、生物学等众多领域。纳米材料的制备以及如何获得高密度、高规整度的纳米阵列成为研究的热点。纳米材料的制备方法众多，但模板法是制备纳米材料较为简单的一种方法。

多孔阳极氧化铝是在酸性电解质溶液中通过金属铝的阳极氧化反应形成的一种薄膜材料，其包括沿表面垂直生长的纳米级别的圆柱形孔洞。多孔阳极氧化铝制备方法简单，成本较低，其纳米级孔洞排列规整、表面积较大，并且通过改变制备工艺可调节孔结构，因此多孔阳极氧化铝模板法是制备纳米材料的常用方法之一。在多孔阳极氧化铝表面或孔腔内可沉积出纳米点、纳米线、纳米棒、纳米管等众多纳米结构，得到的纳米结构排列规则、表面积较高。目前已经使用多孔阳极氧化铝模板获得金属、半导体、高聚物、碳材料等多种材料的纳米结构。

纳米材料因纳米级尺寸具有许多优异的性能，其广泛应用于光、电、磁等众多领域。纳米材料的比表面积较大，其在传感器、生物、分子运输等领域也发挥着重要作用[1]。

2 多孔阳极氧化铝模板的制备

多孔阳极氧化铝模板是在酸性电解质溶液中通过金属铝的阳极氧化反应形成。在进行阳极氧化反应之前，需要对铝片进行电化学抛光以消除应力，将抛光后的铝片置于电解质溶液中，施加相应的电压进行第一次阳极氧化反应，然后将第一次阳极氧化反应产生的多孔阳极氧化铝除去，在此基础上进行第二次阳极氧化反应，所生成的多孔阳极氧化铝是在第一次阳极氧化的凹坑基础上形成，所以规整度较高，最后将多孔阳极氧化铝置于磷酸溶液中进行扩孔处理。

多孔阳极氧化铝模板是一类具有独特纳米孔洞结构的薄膜材料，其由阻挡层和多孔层组成，多孔层由六角紧密堆积的元胞组成，元胞中心为沿表面垂直生长的圆柱形孔洞。通过改变多孔阳极氧化铝的工艺参数，如电解质种类及浓度、阳极氧化电压、阳极氧化时间等可以改变多孔阳极氧化铝的形貌结构，如孔间距、孔径、孔厚、孔隙率等，在此基础上可以获得不同形貌结构的纳米材料，以应用于不同的领域[2]。

3 纳米材料的制备

纳米材料的制备方法众多，但大多成本较高，工艺复杂，所制备的纳米材料可重复性低，规整度不高。多孔阳极氧化铝模板法是制备纳米材料的方法之一，由于多孔阳极氧化铝模板独特的纳米孔洞结构，所制备的纳米材料结构规整，比表面积较大，多孔阳极氧化铝模板法制备工艺简单，成本较低，并且通过调节多孔阳极氧化铝的工艺参数能够得到不同形貌结构的纳米孔洞，从而得到不同形貌结构的纳米材料。

基于多孔阳极氧化铝的纳米材料的制备方法包括电化学沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法、模板润湿法、原位聚合法等，采用上述方法在多孔阳极氧化铝表面或孔腔中可以沉积金属、半导体、高聚物、碳材料等以形成相应的纳米点、纳米线、纳米棒、纳米管等纳米结构。

金属、半导体、碳材料的纳米结构的制备方法主要有电化学沉积法、磁控溅射法、化学气相沉积法等。在电化学沉积法中，使用电化学工作站，以多孔阳极氧化铝模板为工作电极，施加一定的电压，使得溶液中的金属离子沉积在多孔阳极氧化铝表面或孔腔中。高聚物纳米材料的制备方法主要是模板润湿法、原位聚合法等，将多孔阳极氧化铝模板浸入高聚物溶液中，或将高聚物溶液滴加在多孔阳极氧化铝表面，在无外界条件或者旋涂和热压印，使得高聚物溶液渗透浸入多孔阳极氧化铝孔腔中，在小于高聚物玻璃化温度的条件下干燥数小时，除去多孔阳极氧化铝模板即可得到高聚物纳米线、纳米棒等纳米结构[3]。

4 纳米材料的应用

采用多孔阳极氧化铝模板制备的纳米材料规整度高、比表面积大、可批量生产，并且 多孔阳极氧化铝模板制备工艺简单，成本较低，通过调节工艺参数可以获得不同形貌的纳米材料，是制备纳米材料的常用方法之一。

纳米材料因小尺寸而具有传统材料不具备的优异性能，由多孔阳极氧化铝模板制备的纳米材料因结构规整，性能得到提高，其在传感器、分子运输等领域发挥着重要作用。在传感器领域，因为有多孔阳极氧化铝模板制备的纳米材料结构规整，比表面积大，极大改善了传感器的灵敏度，使其在生物传感器、气体传感器等中发挥着重要作用。在分子运输领域，同样因比表面积的增大，提高了纳米材料的分子运输能力，从而改善了器件的灵敏度。