一种阳极氧化铝模板“熔解‑注入‑分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法技术

本发明专利技术公开了一种阳极氧化铝模板“熔解‑注入‑分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法。该方法充分利用阳极氧化铝模板孔道的列向和限制作用,将其孔道看成“纳米反应器”和“形貌控制器”。利用金属硝酸盐熔点较低的特点，通过纯物理加热使其熔解成为流体；然后，通过流体和阳极氧化铝模板纳米级孔道间的强烈毛细作用使其自动进入孔道；在不太高的温度下，孔道内填充的金属硝酸盐会分解成氧化物和容易跑掉的氮氧化物气体并且利用模板的孔道限制和列向作用形成一维金属氧化物纳米线阵列。相对于现有技术，本发明专利技术方法原理巧妙，操作简单；试用范围广，通用性好；制备数量大，速度快；设备廉价；原料廉价；制备过程安全等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法
本专利技术涉及一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，属于纳米材料制备

技术介绍
在纳米材料科学和
，金属氧化物变得越来越重要。金属氧化物具备许多优良的特性，这使得它们在分解水、可再生能源电池、催化剂、光学传感器，电容器、太阳能电池和燃料能源电池等领域有着广泛的应用。另一方面，由于其独特的性能以及具备在大范围内广泛应用的价值，一维纳米线材料也已经引起了人们广泛的关注。到现在为止，人们已经成功研制了多种制备纳米线的方法，比如光刻、热蒸发、固相反应和水热法。但是，使用上述方法制得的纳米线取向分布具有随机性，没有阵列性特点。对于使用上述方法制备的纳米材料，只有极少数的材料可以形成取向一致的纳米线阵列，如ZnO和GaAs。因此，成功制备出取向一致的金属氧化物纳米线阵列无论在纳米材料应用领域还是在纳米材料方法学上都具有非常积极的意义。模板法，特别是基于阳极氧化铝模板的方法，给我们提供了一种简单、方便、有效的合成取向一致的纳米线阵列的方法。目前，在已经公开的以阳极氧化铝模板为载体制备金属氧化物纳米材料的技术中，普遍存在的问题是制备流程较为复杂，制备的材料种类较单一，通用性不好，不容易推广。专利CN101319407采用电化学沉积方法第一步先在阳极氧化铝模板孔道内进行金属原子的组装，然后第二步通过热处理得到金属氧化物纳米颗粒状纳米阵列材料。专利CN101475207采用超声波灌注阳极氧化铝模板的方法，制备了氧化锌纳米管。因此，寻找一种通用的利用阳极氧化铝模板为载体的新型的制备金属氧化物纳米线阵列的方法目前仍然是一个很大的挑战。基于此，非常有必要发展一种通用的且有效的利用阳极氧化铝模板制备金属氧化物纳米阵列的新方法。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的通用方法。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，利用阳极氧化铝模板，将金属硝酸盐熔解成为流体，使其进入所述阳极氧化铝模板的纳米级孔道内，然后分解为氧化物和易跑掉的氮氧化物气体，并且利用模板的孔道限制和列向作用形成一维金属氧化物纳米线阵列。本专利技术方法利用金属硝酸盐熔点较低的特点，通过纯物理加热使其熔解成为流体；然后，通过流体和阳极氧化铝模板纳米级孔道间的强烈毛细作用使其自动进入孔道；在不太高的温度下，孔道内填充的金属硝酸盐会分解成氧化物和容易跑掉的氮氧化物气体并且利用模板的孔道限制和列向作用形成一维金属氧化物纳米线阵列。作为优选，所述的一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，包括以下步骤：(1)利用两步升压阳极氧化法快速制备孔径均匀的阳极氧化铝模板并扩孔；(2)将模板正面向上转移至容器中，并将金属硝酸盐研磨后转移至上述模板上，使其整体铺满模板；(3)将容器加热升温并且保持一段时间后冷却至室温；(4)将模板取出，去除残留后就可得到埋藏在模板纳米孔道内的金属氧化物的纳米线阵列。所述阳极氧化铝模板扩孔后，孔径均匀，平均直径约在150nm，厚度约50μm。作为进一步优选，步骤(2)中，所述容器是坩埚或其他可耐高温的陶瓷或玻璃类等容器。作为进一步优选，步骤(2)中，所述研磨，包括人工研磨，机械球磨等各种研磨方式。作为进一步优选，步骤(3)中，所述保持一段时间，时间长度可调。作为进一步优选，所述步骤(3)中加热升温装置为马弗炉或其他升温加热装置。作为进一步优选，所述步骤(3)中加热升温是匀速或变速加热升温。作为进一步优选，所述步骤(3)中加热升温包括空气气氛或其他保护性气体气氛，比如氩气，氮气等。作为进一步优选，步骤(3)中，所述冷却，包括自然冷却、程序冷却或其他冷却方式等。作为另一种优选，所述金属硝酸盐为硝酸铜、硝酸锰、硝酸钴、硝酸铬，硝酸锶，硝酸钙，硝酸镧，硝酸铁，硝酸锌，硝酸铋，硝酸钡，硝酸镁和硝酸镍等常见的硝酸盐类或其他易发生熔解和分解过程的盐类。如何让反应物充分进入阳极氧化铝模板的纳米级孔道是本专利技术要解决的首要和关键问题。根据Jurin’slaw(朱林定律)，当一个细圆管与浸润的液体接触时，由于毛细作用，管内液面会上升，管内液体上升的高度H可由下式来计算：其中γ，θ，ρ，g和D分别表示液体的表面张力，接触角，液体的密度，重力加速度和管的直径。众所周知，阳极氧化铝模板的孔径尺寸为纳米量级。在这样纳米级的通道中，毛细作用应该很强。一般来说，硝酸盐有相对低的熔点，在较低的温度下它们会熔解成为流体。在这里，我们保守估算，γ，θ，ρ，g和D使用的参数如下：0.05、60°，2000kgm-3，9.8ms-2，150nm，计算后H约为300m，这是阳极氧化铝模板孔道长度(50μm)的长600万倍。这意味着，熔解后的硝酸盐将很容易通过毛细作用可注入的孔道中。更为重要的是在温度不是非常高的情况下，它们可分解为金属氧化物，最后在孔道的限制作用下形成纳米线阵列。这也就是说，在金属纳米线阵列的制备过程中，阳极氧化铝的纳米孔道不仅作为“形貌控制器”，同时也作为“纳米反应器”。技术效果：相对于现有技术，本专利技术具有以下技术优势：(1)方法原理巧妙，操作简单。本方法利用纯物理的毛细作用使熔解的硝酸盐自动进入阳极氧化铝模板的孔道，不需要额外的加压等作用，原理简单巧妙；另外，本方法不需要前期的各种复杂的样品预处理，样品制备完成后也没有复杂的处理工序，操作简单方便。(2)方法试用范围广，通用性好。多种金属氧化物纳米线阵列可以通过此方法制备出来。(3)制备数量大，速度快。本方法可以一次同时进行大量金属氧化物阵列的制备，产量高，设备利用率高；另外，制备时间可以调节，速度较快。(4)设备廉价。本专利技术的方法使用加热设备简单，不需要昂贵的高温炉和耐高温的设备。(5)原料廉价。需要的原料为硝酸盐、常见容器等。材料简单，价格低廉。(6)制备过程安全。由于不需要高温高压等极端条件，也不需要真空，材料制备过程安全可靠。附图说明图1：本专利技术阳极氧化铝“熔解-注入-分解”过程方法流程图；图2：本专利技术制备的氧化铜(CuO)纳米线阵列(A)透射电镜TEM照片和(B)X射线衍射图谱；图3：本专利技术制备的三氧化二锰(Mn2O3)纳米线阵列(A)透射电镜TEM照片和(B)X射线衍射图谱；图4：本专利技术制备的四氧化三钴(Co3O4)纳米线阵列(A)透射电镜TEM照片和(B)X射线衍射图谱。具体实施方式下面结合附图进一步描述本专利技术的具体实施方案。实施例1制备氧化铜(CuO)纳米线利用三水硝酸铜为原料，阳极氧化铝为模板。将模板正面向上放入坩埚中，取适量的三水硝酸铜，研磨后，尽量均匀的平铺在模板上面。将坩埚放入马弗炉中。马弗炉以5度/分钟的升温速率从室温升到620度并保温10小时后自然冷却。取出后，去除模板表面残留物后即可得氧化铜(CuO)纳米线阵列。附图2是利用本专利技术制备的氧化铜(CuO)纳米线阵列透射电镜TEM照片和X射线衍射图谱。实施例2制备三氧化二锰(Mn2O3)纳米线利用四水硝酸锰为原料，阳极氧化铝为模板。将模板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阳极氧化铝模板“熔解‑注入‑分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，其特征在于，利用阳极氧化铝模板，将金属硝酸盐熔解成为流体，使其进入所述阳极氧化铝模板的纳米级孔道内，然后分解为氧化物和易跑掉的氮氧化物气体，并且利用模板的孔道限制和列向作用形成一维金属氧化物纳米线阵列。

【技术特征摘要】
1.一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，其特征在于，利用两步升压阳极氧化法快速制备孔径均匀的阳极氧化铝模板并扩孔，将金属硝酸盐熔解成为流体，使其进入所述阳极氧化铝模板的纳米级孔道内，然后分解为氧化物和易跑掉的氮氧化物气体，并且利用模板的孔道限制和列向作用形成一维金属氧化物纳米线阵列。2.根据权利要求1所述的一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用两步升压阳极氧化法快速制备孔径均匀的阳极氧化铝模板并扩孔；(2)将模板正面向上转移至容器中，并将金属硝酸盐研磨后转移至上述模板上，使其整体铺满模板；(3)将容器加热升温并且保持一段时间后冷却至室温；(4)将模板取出，去除残留后就可得到埋藏在模板纳米孔道内的金属氧化物的纳米线阵列。3.根据权利要求2所述的一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述容器是坩埚。4.根据权利要求2所述的一种阳极氧化铝模板“熔解-注入-分解”过程制备金属氧化物纳米线阵列的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述研磨，包括人工研磨或机...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩东强，张新伟，杨绍光，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32