一種鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，屬于納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】。用電化學(xué)方法制備孔徑為80nm～90nm的氧化鋁模板；在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板；對載有鋅納米線的氧化鋁模板在大氣環(huán)境下進(jìn)行低溫退火，然后再進(jìn)行高溫退火，即得到鋁酸鋅納米孔模板。制成的納米鋁酸鋅模板孔徑均勻，排列有序，具有比較高的比表面積，形狀規(guī)則，制備工藝簡單，加工過程對環(huán)境無污染。
【專利說明】一種鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，屬于納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今電子元件的發(fā)展趨勢是小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)龋@要求材料的尺寸越小越好。將納米材料應(yīng)用到電子學(xué)領(lǐng)域可以很好的提高電子元件的性能。因此，通過自組織方法制備納米結(jié)構(gòu)引起人們的廣泛關(guān)注。
[0003]納米鋁酸鋅(尖晶石)是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料(~4.0eV)，具有較高熱穩(wěn)定性、機(jī)械抗熱性、親水性、耐蝕、耐磨及化學(xué)穩(wěn)定性，而且其絕緣性好、熱膨脹系數(shù)小、硬度高，具有低的表面酸性和紫外線阻隔性等性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域。
[0004]利用物理和化學(xué)方法在這種納米孔模板中沉積各種材料可以組裝不同材料的低維納米結(jié)構(gòu)，具有制備簡單，形貌統(tǒng)一等優(yōu)點，有著潛在的應(yīng)用價值。
[0005]同時鋁酸鋅納米孔陣列模板具有耐酸、耐堿、抗腐蝕等特性，具有很好的催化作用，由于納米孔陣列高的比表面積，其催化作用會更加優(yōu)異。 [0006]目前鋁酸鋅納米材料主要是納米粉體，其它納米結(jié)構(gòu)的鋁酸鋅材料制備還比較困難。制備鋁酸鋅納米粉方法主要有:高溫煅燒、共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法等。但是由于納米鋁酸鋅傳統(tǒng)的制備工藝復(fù)雜，而且在干燥及熱處理過程中容易發(fā)生硬團(tuán)聚，使其應(yīng)用受到一定的限制。因此怎樣更加簡便的制備出納米鋁酸鋅就顯得尤為重要了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備工藝，制成的納米鋁酸鋅模板孔徑均勻，排列有序，具有比較高的比表面積，形狀規(guī)則，制備工藝簡單，加工過程對環(huán)境無污染。
[0008]解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的工藝步驟是:
(1)用電化學(xué)方法制備孔徑為80nm~90nm的氧化鋁模板；
(2)在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板；
(3)對載有鋅納米線的氧化鋁模板在大氣環(huán)境下進(jìn)行低溫退火，使鋅納米線轉(zhuǎn)化成為氧化鋅納米線，然后再進(jìn)行高溫退火，使氧化鋅納米線與外壁的氧化鋁模板發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)形成鋁酸鋅納米孔模板。
[0009]所述制備氧化鋁模板是首先將經(jīng)過表面預(yù)處理的高純鋁O 99.999%)在真空度為
(2.5-5) xl0-5ton-、溫度為450° C下退火4~5小時(退火的目的是消除鋁片內(nèi)部的機(jī)
械應(yīng)力，同時是得到較大的晶粒)，然后將石墨電極作為陰極，高純鋁作為陽極，將陽極和陰極置于在無水乙醇和濃度為2~3mol/L高氯酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，混合液無水乙醇與高氯酸溶液的體積為3~6:1,電壓為15~25V,時間為0.5~1.5分鐘，電化學(xué)拋光完畢后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡15~20分鐘，即得到氧化鋁模板。在拋光過程中會產(chǎn)生大量熱，所以在拋光中將拋光溶液置于冰水浴裝置。
[0010]所述80nm~90nm的氧化鋁模板的制備是采用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.2~0.3M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為80nm ~90nm。
[0011]所述步驟(2)中在氧化鋁模板中制備鋅納米線是采用電沉積方法在孔徑為80nm~90nm的氧化鋁模板中制備鋅納米線，使用的電解液是80g/L的ZnSO4和20g/L的H3BO3，沉積電壓是2V，沉積時間是25min~35min，得到的鋅納米線直徑與氧化鋁模板的孔徑相同。
[0012]所述步驟(3)中低溫退火是先在大氣環(huán)境下將載有鋅納米線的氧化鋁模板加熱到300°C~350°C，保溫30小時~40小時，然后進(jìn)行高溫退火，繼續(xù)加熱到650°C~700°C，保溫15小時~20小時。
[0013]所 述步驟(3)高溫退火完畢后對退火后的樣品進(jìn)行腐蝕處理，采用2~3mol的氫氧化鈉溶液浸泡退火后的樣品，浸泡溫度40~55°C，浸泡時間60~80分鐘，處理后清洗得到鋁酸鋅納米模板。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:制成的納米鋁酸鋅模板孔徑均勻，排列有序，具有比較高的比表面積，形狀規(guī)則，制備工藝簡單，加工過程對環(huán)境無污染。鋁酸鋅納米孔陣列模板具有耐酸、耐堿、抗腐蝕等特性，具有很好的催化作用，由于納米孔陣列高的比表面積，其催化作用會更加優(yōu)異。同時，利用物理和化學(xué)方法在這種納米孔模板中沉積各種材料可以構(gòu)建不同材料的低維納米結(jié)構(gòu)，具有制備簡單，成本較低等優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明氧化鋁模板電沉積鋅納米線后的XRD圖；
圖2是本發(fā)明樣品經(jīng)低溫退火后的XRD圖；
圖3是本發(fā)明低溫退火的樣品經(jīng)高溫退火后的XRD圖；
圖4是本發(fā)明制備的酸鋅納米孔陣列模板掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]實施方式一:如圖1至4所示，本實施方式的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法為:
(I)原材料及退火:原材料選擇高純鋁(99.999%)，厚度0.25mm的冷軋板材，在陽極化前對鋁片進(jìn)行前期預(yù)處理，預(yù)處理包括去脂、退火、拋光三個過程。去脂是將高純鋁片依次在丙酮和乙醇中清洗，去除鋁片表面的油污。退火則是將鋁片在真空度為
(2.5~5) xl0-5torr溫度為450° C下退火4~5小時，退火的目的是消除鋁片內(nèi)部的機(jī)械
應(yīng)力，同時是得到較大的晶粒。電化學(xué)拋光過程是在無水乙醇和高氯酸的混合液中(C2H5OH=HClO4 ,體積比5:1)進(jìn)行的。采用石墨電極作為陰極，高純鋁片作為陽極，電壓在20V的條件下電解拋光I分鐘，取出后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡15分鐘。在拋光過程中會產(chǎn)生大量熱，所以在拋光中將拋光溶液置于冰水浴裝置。[0018](2)制作氧化鋁模板:利用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.3M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為SOnm~90nm。
[0019](3)電沉積納米線:利用電沉積方法在氧化鋁模板中制備鋅納米線。
[0020](4)樣品退火:對載有鋅納米線的氧化鋁模板進(jìn)行退火，退火工藝規(guī)范為:第一步低溫退火，在大氣環(huán)境下，將載有鋅納米線的氧化鋁模板由室溫經(jīng)20分鐘加熱到320°C，保溫40小時，使鋅納米線完全氧化轉(zhuǎn)化為氧化鋅納米線；第二步對經(jīng)過低溫退火的樣品進(jìn)行高溫退火，經(jīng)20分鐘由第一次退火的保溫溫度加熱到700°C保溫15小時，最后隨爐冷到室溫，使氧化鋅與氧化鋁發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)形成鋁酸鋅。
[0021](5)腐蝕處理:對退火后的樣品進(jìn)行腐蝕處理，采用3mol的氫氧化鈉溶液浸泡退火后的樣品，浸泡溫度50°C，浸泡時間60分鐘。處理后清洗得到鋁酸鋅納米模板。
[0022]實施方式二:本實施方式的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法為:按實施例1第一步、第二步、第三步制備氧化鋁模板及電沉積鋅納米線，對載有鋅納米線的氧化鋁模板樣品進(jìn)行退火處理，退火工藝規(guī)范為:在大氣環(huán)境下，將載有鋅納米線的氧化鋁模板由室溫30分鐘加熱到350°C，保溫40小時，再經(jīng)30分鐘由該溫度加熱到650°C保溫20小時，最后隨爐冷到室溫。按實施例1第五步腐蝕處理得到鋁酸鋅納米模板。
[0023]實施方式三:本實施方式的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法為:
(1)用電化學(xué)方法制備孔徑為SOnm~90nm的氧化鋁模板:首先將經(jīng)過表面預(yù)處理的
高純鋁在真空度為、2.5xliT5torr溫度為450° C下退火5小時，然后將石墨電極作為陰極，
高純鋁作為陽極，將陽極和陰極置于在無水乙醇和濃度為3mol/L高氯酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，混合液無水乙醇與高氯酸溶液的體積為3:1，電壓為15V，時間為1.2分鐘，電化學(xué)拋光完畢后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡15分鐘，即得到氧化鋁模板；
(2)在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板:采用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.3M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為80nm~90nm，然后采用電沉積方法在80nm~90nm的氧化鋁模板中制備鋅納米線，使用的電解液是80g/L的ZnSO4和20g/L的H3BO3，沉積電壓是2V，沉積時間是30min，得到的鋅納米線直徑與氧化鋁模板的孔徑相同；
(3 )對載有鋅納米線的氧化鋁模板先在大氣環(huán)境下將載有鋅納米線的氧化鋁模板加熱到300°C，保溫40小時，然后進(jìn)行高溫退火，繼續(xù)加熱到700°C，保溫15小時。
[0024]實施方式四:本實施方式的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法為:
(1)用電化學(xué)方法制備孔徑為SOnm~90nm的氧化鋁模板:首先將經(jīng)過表面預(yù)處理的
高純鋁在真空度為4xl0-5torr、溫度為450° C下退火4小時，然后將石墨電極作為陰極，高
純鋁作為陽極，將陽極和陰極置于在無水乙醇和濃度為2.5mol/L高氯酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，混合液無水乙醇與高氯酸溶液的體積為5:1，電壓為20V，時間為0.5分鐘，電化學(xué)拋光完畢后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡20分鐘，即得到氧化鋁模板；
(2)在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板:采用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.2M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為80nm~90nm，然后采用電沉積方法在80nm~90nm的氧化鋁模板中制備鋅納米線，使用的電解液是80g/L的ZnSO4和20g/L的H3BO3，沉積電壓是2V，沉積時間是25min，得到的鋅納米線直徑與氧化鋁模板的孔徑相同；
(3 )對載有鋅納米線的氧化鋁模板先在大氣環(huán)境下將載有鋅納米線的氧化鋁模板加熱到350°C，保溫30小時，然后進(jìn)行高溫退火，繼續(xù)加熱到680°C，保溫20小時。
[0025]實施方式五:實施方式三:本實施方式的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法為:
(1)用電化學(xué)方法制備孔徑為SOnm~90nm的氧化鋁模板:首先將經(jīng)過表面預(yù)處理的
高純招在真空度為5xl0_5torr、溫度為450° C下退火4.5小時,然后將石墨電極作為陰極，
高純鋁作為陽極，將陽極和陰極置于在無水乙醇和濃度為2 mol/L高氯酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，混合液無水乙醇與高氯酸溶液的體積為6:1，電壓為25V，時間為1.5分鐘，電化學(xué)拋光完畢后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡20分鐘，即得到氧化鋁模板；
(2)在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板:采用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.3M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為80nm~90nm，然后采用電沉積方法在80nm~90nm的氧化鋁模板中制備鋅納米線，使用的電解液是80g/L的ZnSO4和20g/L的H3BO3，沉積電壓是2V，沉積時間是25min，得到的鋅納米線直徑與氧化鋁模板的孔徑相同為20nm~ISOnm (3 )對載有鋅納米線的氧化鋁模板先在大氣環(huán)境下將載有鋅納米線的氧化鋁模板加熱到320°C，保溫35小時，然后進(jìn)行高溫退火，繼續(xù)加熱到680°C，保溫18小時。
[0026]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于具體步驟包括: (1)用電化學(xué)方法制備孔徑為80nm~90nm的氧化鋁模板； (2)在氧化鋁模板中制備鋅納米線，得到在其孔徑中載有鋅納米線的氧化鋁模板； (3)對載有鋅納米線的氧化鋁模板在大氣環(huán)境下進(jìn)行低溫退火，然后再進(jìn)行高溫退火，即得到鋁酸鋅納米孔模板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于:所述制備氧化鋁模板是首先將經(jīng)過表面預(yù)處理的高純鋁在真空度為2.5~5\10-5^^、溫度為450° C下退火4~5小時,然后將石墨電極作為陰極,高純招作為陽極，將陽極和陰極置于在無水乙醇和濃度為2~3mol/L高氯酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，混合液無水乙醇與高氯酸溶液的體積為3~6:1，電壓為15~25V，時間為0.5~1.5分鐘，電化學(xué)拋光完畢后用蒸餾水淋洗，然后放入蒸餾水中浸泡15~20分鐘，即得到氧化鋁模板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于:所述80nm~90nm的氧化鋁模板的制備是采用二步陽極氧化法制備氧化鋁模板，電解液采用0.2~0.3M的草酸溶液，陽極電壓50V，經(jīng)擴(kuò)孔后得到的氧化鋁模板孔徑為80nm~90nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于:所述步驟 (2)中在氧化鋁模板中制備鋅納米線是采用電沉積方法在80nm~90nm的氧化鋁模板中制備鋅納米線，使用的電解液是80g/L的ZnSO4和20g/L的H3BO3，沉積電壓是2V，沉積時間是25min~35min，得到的鋅納米線直徑與氧化鋁模板的孔徑相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中低溫退火是先在大氣環(huán)境下將載有鋅納米線的氧化鋁模板加熱到300°C~350°C，保溫30小時~40小時，然后進(jìn)行高溫退火，繼續(xù)加熱到650°C~700°C，保溫15小時~20小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋅納米孔陣列模板的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)高溫退火完畢后對退火后的樣品進(jìn)行腐蝕處理，采用2~3mol的氫氧化鈉溶液浸泡退火后的樣品，浸泡溫度40~55°C，浸泡時間60~80分鐘，處理后清洗得到鋁酸鋅納米模板。
【文檔編號】B82Y30/00GK104005070SQ201410181529
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】劉建雄, 吳正宇, 詹肇麟 申請人:昆明理工大學(xué)