草酸中铝阳极氧化的原位椭圆偏振光谱研究

论文摘要

由于多孔阳极氧化铝（PAA）膜具有整齐规则的空间结构，是合成纳米功能材料最常用的模板之一，所以近年来其制备及应用受到了广泛关注，然而迄今为止，PAA模板的生长机制并不清楚。本文采用高灵敏度的原位椭圆偏振光谱技术（SE）研究H2C2O4溶液中铝的阳极氧化过程，建立合理的光学模型解析椭圆偏振光谱数据，获取界面层、阻挡层和多孔层的厚度、组成等动态变化信息，进而详细研究PAA膜的初始生长过程，并考察阳极氧化电压、温度、H2C2O4溶液浓度对PAA膜生成过程的影响，获取PAA膜的生长动力学参数，初步探明其生长机制。椭圆偏振光谱结果结合电化学阻抗谱（EIS）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）的结果分析H2C2O4溶液中PAA膜的初始生长阶段，结果表明：所建立的光学模型能够很好地解析数据，其中梯度有效介质近似（EMA）模型、各向异性EMA模型能够分别合理地描述界面层、多孔层的物理结构及性质；根据原位椭圆偏振光谱模型及其数据解析结果，可以清楚地分辨出PAA膜的4个生长阶段，即阻挡层的形成、孔洞的萌生、孔洞的发展与多孔层的稳定生长；在多孔层的稳定生长阶段，多孔层的孔隙率基本不变，而其厚度随时间呈线性增长；EIS测量获取的阻挡层的厚度变化规律，及FE-SEM表征获取的阻挡层和多孔层的厚度结果都与原位椭圆偏振光谱获取的结果是比较一致的，说明我们所采用的光学模型及拟合结果是合理及可靠的，由此建立了明确的数据解析方法。采用原位SE探讨阳极氧化电压、温度及H2C2O4溶液浓度对PAA膜生长过程的影响，实验结果表明任一氧化条件的增大都会推进PAA膜生长过程的进行，使前3个阶段的持续时间缩短，说明升高氧化电压、温度及增大H2C2O4溶液浓度都会促使电极反应速率增快，生长阶段的演化加快，越早地进入多孔层的稳定生长阶段；且各实验条件的增大基本不影响界面层、阻挡层的厚度及多孔层的孔隙率，这些参数的数值变化范围基本不变，主要影响多孔层的厚度及生长速率。升高阳极氧化电压、温度及增大H2C2O4溶液浓度均可加快多孔层的生长速率。多孔层的生长速率（v）与阳极氧化电压（E）之间近似呈指数增长关系，方程为v=0.19exp（E/15.26）-0.31，相关系数为R2=0.9995；多孔层的生长速率（v）与阳极氧化温度（T）之间近似呈指数增长关系，方程为v=2.43*10-5exp（T/23.91）-2.11，相关系数为R2=0.9960；多孔层的生长速率（v）与H2C2O4溶液浓度（c）之间近似呈线性增长关系，方程为v=3.46c+1.15，相关系数为R2=0.9812。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 多孔阳极氧化铝（PAA）膜的概述
• 1.1.1 PAA 膜的特点
• 1.1.2 PAA 膜在合成纳米材料中的应用
• 1.1.3 PAA 膜的制备工艺
• 1.1.4 PAA 膜的形成机理
• 1.2 椭圆偏振光谱技术概述
• 1.2.1 椭圆偏振光谱技术的特点
• 1.2.2 椭圆偏振光谱技术在电化学研究中的应用
• 1.2.3 椭圆偏振光谱技术在铝阳极氧化方面的研究现状
• 1.3 本文的研究目的及主要研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 实验
• 2.1 实验材料及主要试剂
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 主要试剂
• 2.2 实验用主要仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 椭圆偏振光谱技术
• 2.3.2 电化学方法
• 2.3.3 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
• 2.4 实验装置
• 2.4.1 原位椭圆偏振光谱实验装置
• 2.4.2 阳极氧化实验装置
• 2.4.3 电化学阻抗谱（EIS）实验装置
• 3 PAA 膜初始生长阶段研究
• 3.1 实验
• 3.1.1 铝电极前处理
• 3.1.2 原位椭圆偏振光谱研究
• 3.1.3 EIS 研究
• 3.1.4 FE-SEM 表征
• 3.2 原位椭圆偏振光谱数据解析结果
• 3.3 EIS 结果
• 3.4 FE-SEM 结果
• 3.5 小结
• 4 阳极氧化电压对 PAA 膜生长过程的影响
• 4.1 实验
• 4.2 电化学实验结果
• 4.3 原位椭圆偏振光谱数据拟合结果
• 4.3.1 铝阳极氧化膜生长过程
• 4.3.2 分析氧化电压对多孔层生长速率的影响
• 4.4 小结
• 5 阳极氧化温度对 PAA 膜生长过程的影响
• 5.1 实验
• 5.2 电化学实验结果
• 5.3 原位椭圆偏振光谱数据拟合结果
• 5.3.1 铝阳极氧化膜生长过程
• 5.3.2 分析氧化温度对多孔层生长速率的影响
• 5.4 小结
• 2C₂O₄溶液浓度对 PAA 膜生长过程的影响'>6 H₂C₂O₄溶液浓度对 PAA 膜生长过程的影响
• 6.1 实验
• 6.2 电化学实验结果
• 6.3 原位椭圆偏振光谱数据拟合结果
• 6.3.1 铝阳极氧化膜生长过程
• 2C₂O₄溶液浓度对多孔层生长速率的影响'>6.3.2 分析 H₂C₂O₄溶液浓度对多孔层生长速率的影响
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录