多孔陽極氧化鋁的制備及應用

常勝男，李津

1 多孔陽極氧化鋁的簡介

隨著納米技術的發展，納米材料受到越來越多的關注。納米是長度的度量單位，1納米為十億分之一米，即1nm=10-9m。納米材料通常是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸或由它們作為基本單元構成的材料。納米材料因表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等而具有許多優異的物理化學功能，在眾多領域發揮著越來越多的作用。

多孔陽極氧化鋁是制備納米材料的常用模板之一。納米多孔陽極氧化鋁是在金屬鋁表面發生陽極氧化反應而產生的一種納米多孔材料，其由納米級別的圓柱形孔洞組成，孔洞之間彼此平行，呈六方排列。

多孔陽極氧化鋁具有優異的物理、化學、光學和熱學性能，并且機械性能優異。采用沉積法、溶膠-凝膠法、熱壓印法等可以制備出金屬、半導體、高聚物、碳材料等多種納米材料，并且廣泛應用在眾多領域[1]。

2 多孔陽極氧化鋁的制備方法及工藝

2.1 多孔陽極氧化鋁的制備方法

多孔陽極氧化鋁是金屬鋁在酸性電解質（硫酸、草酸、磷酸等）中通過陽極氧化而產生，其制備方法包括溫和陽極氧化法、強烈陽極氧化法、脈沖式陽極氧化法和周期性陽極氧化法。

溫和陽極氧化法包括一次陽極氧化法和二次陽極氧化法。自Masuda于1995年提出的二次陽極氧化法，多孔陽極氧化鋁的規整度大大提高。在二次陽極氧化法中，先將拋光后的鋁片置于電解質中進行一次氧化以生成納米孔洞，隨后將其除去，最后在同樣的條件下進行二次氧化，所形成的的納米孔洞因一次氧化時留下的凹坑而更加規則。二次陽極氧化法所用的電解質主要包括硫酸、草酸和磷酸，不同的電解質對應不同的最佳電壓，并且形成不同孔間距的納米多孔陽極氧化鋁。溫和陽極氧化法反應進行緩慢，膜生長速度約為2～6μm/h，對設備的要求較低。

強烈陽極氧化是在高于擊穿電壓的條件下進行陽極氧化，該方法反應劇烈，很難對陽極氧化鋁的結構參數（孔間距、孔徑等）進行調控。強烈陽極氧化法的膜生長速度較快，在50μm/h以上，但是反應會釋放大量熱能，對冷卻設備要求較高。

脈沖式陽極氧化法是交替施加高電壓與低電壓，通過不同的電流密度而形成孔洞呈周期性變化的多孔陽極氧化鋁膜。在脈沖式陽極氧化法中，在施加短時間的高電壓后，緊接著施加長時間的低電壓，保證高電壓下產生的熱量能夠釋放出去，從而形成孔洞排列有序的結構。

周期性陽極氧化法是采用漸進變化的電流制備多孔陽極氧化鋁，通過電流的周期性變化來制備形狀和孔洞周期性變化的納米多孔陽極氧化鋁[2]。

2.2 多孔陽極氧化鋁的制備工藝

多孔陽極氧化鋁的工藝參數包括陽極氧化電壓、電解質種類及濃度、陽極氧化時間、溫度等，不同的工藝參數能夠得到不同的形貌結構。

陽極氧化電壓對多孔陽極氧化鋁的影響較大，陽極氧化電壓越大，孔間距越大。電解質種類及濃度也會影響多孔陽極氧化鋁的孔間距。陽極氧化時間會影響多孔陽極氧化鋁的孔厚度，氧化時間越長，孔厚度越大。溫度時在制備多孔陽極氧化鋁時需要注意的因素，溫度過高，陽極氧化產生的熱量釋放不出去，極易燒壞多孔陽極氧化鋁。

多孔陽極氧化鋁的結構參數包括孔間距、孔徑、孔厚、孔隙率等，通過調節多孔陽極氧化鋁的工藝參數，能夠改變其結構參數，從而獲得不同的形貌結構以滿足不同的應用要求。

3 多孔陽極氧化鋁的應用

納米多孔陽極氧化鋁的具有優異的物理、化學、光學及熱學性能，并且通過簡單的制備工藝能夠形成獨特的納米數量級的多孔結構，通過改變工藝條件，可以獲得孔洞尺寸及形貌可調的結構，這些優異的性能使得多孔陽極氧化鋁成為制備納米材料的常用模板之一。基于AAO模板，采用沉積法、溶膠凝膠法、熱壓印法等方法可以合成納米線、納米管、納米柱等多種納米結構的模板，在納米功能材料的制備中占有重要地位，除此之外多孔陽極氧化鋁在納米級的傳感器制備中也發揮著巨大作用。

AAO模板法在金屬、半導體、高聚物、碳材料等納米結構的合成中發揮著重要作用，金屬納米材料包括Au、Ag、Fe等納米點、納米線、納米管等。半導體納米材料包括ZnO、CuO、SnO等納米線、納米管等。高聚物納米材料包括PMMA、PVDF、PI等納米線、納米棒、納米管等。碳納米材料包括石墨烯、碳納米管等。采用相應的制備方法在AAO表面或孔腔內沉積得到的納米材料規整度高，比表面積大，性能優異。

AAO模板法制造的傳感器包括生物傳感器、氣體傳感器、壓力傳感器等，由AAO制備的傳感材料比表面積大，從而極大改善了傳感器的傳感性能[3]。