[发明专利]一种制备纳米锥形孔阳极氧化铝模板的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速制备纳米锥形孔多孔氧化铝模板的方法，具体涉及一种制备纳米锥形孔阳极氧化铝模板的方法。

背景技术

近年来，具有三维孔状结构(如：分层孔、分支孔、纺锤形孔及锥形孔)的多孔氧化铝模板，由于其特殊的三维渐变结构具备开发具有特殊性能功能材料的潜力，己成为众多研究者的研究热点。其中具有锥形孔结构的多孔阳极氧化铝，不仅可直接用作纳米功能材料，还能被用作为模板来制备具有各种功能的纳米锥形材料。纳米锥形的多孔氧化铝模板在生物领域、光学领域、通信领域都取得了广泛的应用，如具有宽光谱减反性能的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜，可取向控制生长的介孔SiO₂，具有拉曼增强效应(SERS)的金纳米锥，以及具有纳米锥结构的Ni、W模板。阳极氧化铝模板具有可靠性好、重复性高、结构参数可控性好等优点。然而，目前的锥形孔氧化铝模板主要应用多次循环氧化扩孔法，其主要过程是一次氧化除膜之后，再进行多次循环的氧化-扩孔过程，这种工艺通过改变循环次数、氧化和扩孔的时间来改变锥孔的大小和形貌。这种技术存在着工艺复杂、成本较高、可控性差等不足，问题一直没有得到很好的解决。

发明内容

本发明针对现有技术工艺复杂、成本较高、可控性差等不足，本发明提供一种制备纳米锥形孔阳极氧化铝模板的方法。

本发明利用铝的二次阳极氧化过程及后续除膜和扩孔工艺完成，具有工艺简单、成本低廉、可靠性佳以及重复性好等优势。

本发明先进行铝的一次阳极氧化，此过程为恒压阳极氧化过程，在自组织机制下形成带有铝基底的高度有序的多孔氧化铝薄膜。调节电压强度可对孔径、孔间距进行调节。将铝基底表面的氧化铝去除后，铝基底表面获得高度规则有序的半球形凹坑。规则有序的凹坑作为二次阳极氧化的优势生长点，新的阳极氧化铝将在凹坑处成孔。二次阳极氧化为快速恒电流密度氧化过程，大电流密度下，大量铝快速氧化成阳极氧化铝，氧化铝密堆积在凹坑的四周，尤其在凹坑的脊处快速隆起，形成的孔道从底部到顶端不断变大，形成特殊的锥形或类锥形孔结构。调节一次阳极氧化的电压，可以控制孔间距，调节电流大小和扩孔时间，可以控制锥形孔的形貌和大小。

本发明采用如下技术方案：

一种制备纳米锥形孔阳极氧化铝模板的方法，包括如下步骤：

(1)将高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗，得到干净的铝片；

(2)以干净的铝片为阳极，石墨为阴极，在高氯酸和无水乙醇混合溶液中进行恒定电压电化学抛光，得到抛光的铝片；

(3)以步骤(2)得到抛光的铝片为阳极，石墨为阴极，在草酸水溶液下进行恒压阳极氧化反应，电压设定为40V～50V，阳极氧化温度为0～10℃，经过4～24h后停止反应，得到带有铝基底的高度有序多孔氧化铝薄膜；

(4)以步骤(3)得到带有铝基底的多孔氧化铝薄膜置于温度为50～80℃的三氧化铬和磷酸混合水溶液中浸泡4～8h，之后用去离子水进行清洗，得到表面具有半球形凹坑的铝基底；

(5)将具有半球形凹坑的铝基底置于草酸水溶液中进行恒电流密度阳极氧化，电流密度设为100～300mA/cm²，阳极氧化温度为0～10℃，反应时间为0.5～1s，反应结束后得到具有纳米锥形孔的多孔氧化铝模板；

(6)将步骤(5)得到的具有纳米锥形孔的多孔氧化铝模板置于温度为20～40℃的磷酸水溶液中浸泡0～20min，然后用去离子水清洗，得到具有不同形状和大小的纳米锥形孔阳极氧化铝模板。

步骤(1)中，所述高纯铝片的质量分数≥99.99％。

步骤(2)中，所述恒定电压电化学抛光的电压为15～23V，所述混合溶液中高氯酸和无水乙醇的体积比值为0.2～0.4，所述高氯酸和无水乙醇混合溶液的温度为-5～5℃，所述抛光时间为5～8min。

步骤(3)中，所述草酸水溶液的浓度为0.2～0.4mol/L。

步骤(4)中，所述三氧化铬和磷酸混合水溶液中三氧化铬和磷酸所占的重量百分比分别为1.5～4.5％和5～8％。

步骤(5)中，所述草酸水溶液的浓度为0.2～0.4mol/L。

步骤(6)中，所述的磷酸水溶液浓度为3～6wt％。

本发明具有如下有益效果：