阳极氧化法TiO2纳米管多孔结构的形成机制及孔参数控制

论文摘要

高度有序的TiO2纳米管具有优异的光电性能,在储能、光催化、光伏、传感等领域获得了广泛应用。因此,全面研究各影响参数对于阳极氧化TiO2纳米管阵列的形成进程及结构的影响意义重大。本文主要采用工业纯钛（TA1）作为阳极,以Pt片为阴极,在质量分数0.1%～1.0%HF溶液中,电压0.4～20V,温度5～40℃范围内进行恒压阳极氧化制备TiO2纳米管阵列。使用电化学工作站测试了线性扫描阳极极化曲线及阳极氧化过程中的电流密度-时间（I-t）曲线;并使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对TiO2纳米管阵列进行微观形貌观察。试验中研究了氧化电压、氧化时间、HF含量、电解液温度、pH值、有机溶剂、超声辅助等工艺参数对TiO2纳米管阵列微观形貌的影响;通过热处理和高能喷丸的方法调节基体原始组织,并研究晶粒尺寸和马氏体相变对于纳米管阵列形貌的影响。开展了纳米管形成机理的研究,建立起阳极氧化进程与I-t曲线的联系,在大量试验和理论研究的基础上,获得了纳米管参数控制的有效方法。试验结果表明:阳极氧化工艺参数对氧化膜的形成速度、纳米孔孔径、纳米管阵列长度有显著影响。可以利用I-t曲线确定TiO2纳米管获得稳定生长的时间;在一定范围内降低电压、提高电解液浓度以及升高电解液温度,均有利于在短时间内形成结构稳定的TiO2纳米管。提高电压对于获得大管径纳米管至关重要;氧化时间是阳极氧化初期影响纳米管孔参数的决定因素;提高电解液pH值或降低反应温度,纳米管长度增长;加入丙三醇、采用超声辅助等方法有利于获得有序度高的TiO2纳米管阵列;基体的原始组织决定了纳米管阵列的有序度和平整度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 2纳米管多孔结构的研究'>1.2 TiO₂纳米管多孔结构的研究
• 1.2.1 应用研究
• 1.2.2 制备研究
• 1.3 阳极氧化法构筑纳米管及多孔结构的机理研究
• 1.3.1 阳极氧化一般原理
• 1.3.2 AAO 膜的成分与结构
• 1.3.3 AAO 膜的形成机理研究
• 1.4 课题研究内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 研究方案与研究内容
• 2纳米管阵列'>第二章 阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列
• 2.1 试验材料及前处理
• 2.2 试验装置及方法
• 2.2.1 试验仪器及药品
• 2.2.2 试验方法
• 2纳米管阵列的表征'>2.3 阳极氧化TiO₂纳米管阵列的表征
• 2.3.1 微观形貌表征
• 2.3.2 晶体结构分析
• 2.3.3 表观评价
• 2纳米管阵列微观形貌的影响'>2.4 工艺参数对TiO₂纳米管阵列微观形貌的影响
• 2.4.1 时间的影响
• 2.4.2 电压的影响
• 2.4.3 HF 浓度的影响
• 2.4.4 电解液温度的影响
• 2.4.5 电解液pH 值的影响
• 2.5 本章小结
• 2纳米管阵列形貌的影响'>第三章 溶剂及超声辅助对TiO₂纳米管阵列形貌的影响
• 3.1 前言
• 2纳米管阵列的制备研究'>3.2 醇／水基溶剂电解液TiO₂纳米管阵列的制备研究
• 2纳米管阵列的表面形貌'>3.2.1 含丙三醇电解液中TiO₂纳米管阵列的表面形貌
• 2纳米管阵列的表面形貌'>3.2.2 含甲醇电解液中TiO₂纳米管阵列的表面形貌
• 2纳米管阵列形貌的影响机制'>3.2.3 醇／水基溶剂对TiO₂纳米管阵列形貌的影响机制
• 3.3 超声辅助阳极氧化的研究
• 3.3.1 超声在电化学中的应用
• 3.3.2 超声辅助阳极氧化实验方案
• 2纳米管阵列形貌的影响'>3.3.3 超声辅助对TiO₂纳米管阵列形貌的影响
• 3.4 本章小结
• 2纳米管阵列形貌的影响'>第四章 基体组织对TiO₂纳米管阵列形貌的影响
• 4.1 前言
• 4.2 预先热处理对纳米管阵列形貌的影响
• 4.2.1 退火工艺调整晶粒度
• 4.2.1.1 退火工艺对基体晶粒度的影响
• 2纳米管阵列微观形貌的影响'>4.2.1.2 退火晶粒度调整对TiO₂纳米管阵列微观形貌的影响
• 4.2.2 淬火工艺调整钛基体的组织结构
• 4.2.2.1 淬火对基体组织的影响
• 2纳米管阵列微观形貌的影响'>4.2.2.2 组织结构调整对TiO₂纳米管阵列微观形貌的影响
• 4.3 高能喷丸晶粒细化及其对氧化膜的影响
• 4.3.1 高能喷丸晶粒细化工艺
• 4.3.2 高能喷丸对基体表面晶粒度的影响
• 2纳米管阵列微观形貌的影响'>4.3.3 高能喷丸对TiO₂纳米管阵列微观形貌的影响
• 4.4 本章小结
• 2纳米管阵列形成机制的研究'>第五章 TiO₂纳米管阵列形成机制的研究
• 2纳米管生长进程研究'>5.1 TiO₂纳米管生长进程研究
• 5.1.1 试验装置
• 5.1.2 Ti 的线性扫描阳极极化分析
• 5.1.3 阳极氧化过程中电流密度的变化
• 5.2 I-T 曲线拐点处氧化膜形貌分析
• 2纳米管阵列生长进程的影响'>5.3 工艺条件对TiO₂纳米管阵列生长进程的影响
• 5.3.1 电压的影响
• 5.3.2 电解液浓度的影响
• 5.3.3 温度的影响
• 2纳米管阵列的形成机理'>5.4 TiO₂纳米管阵列的形成机理
• 5.5 各种影响因素的讨论
• 5.5.1 氧化时间的作用机理
• 5.5.2 电压的作用机理
• 5.5.3 pH 值调节的作用机理
• 5.5.4 电解液温度的作用机理
• 5.5.5 溶剂的作用机理
• 5.5.6 超声辅助的作用机理
• 5.5.7 基体原始组织影响的作用机理
• 5.6 本章小结
• 第六章 论文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文