电化学沉积方法制备纳米材料

模板电化学法合成纳米材料的研究导师孙立贤研究员谭志诚研究员学生史全SEMINARI2005.10•引言•过程介绍•应用举例•展望主要内容SeminarI引言美国材料科学学会预言：纳米材料是21世纪最有前途的材料制备方法物理方法：溅射球磨蒸发等化学方法：气相沉淀溶胶-凝胶水热等电化学方法设备简单操作方便反应条件温和粒径可控纯度高污染小模板电化学SeminarI1987年Martin等人电化学和模板合成方法结合以聚碳酸脂滤膜为模板成功的制备了Pt纳米线阵列PennerRM,MartinCR.Anal.Chem.,1987,59,2625CHARLESR.MARTINUNIVERSITYOFFLORIDA引言SeminarI此后，他们又合成了多种纳米材料以多孔氧化铝膜为模板制备的纳米聚吡咯MartinCR.Chem.Mater.,1996,8,1739以多孔氧化铝膜为模板制备的金纳米纤维以多孔氧化铝膜为模板制备的金纳米管HulteenJ.C.,MartinC.R.,J.Mater.Chem.,1997,1075引言SeminarI近几年来，模板电化学合成方法及其相关的技术得到了迅猛发展，应用该方法已经成功地制备了磁性材料、金属、合金、半导体及导电聚合物等多种纳米结构材料。KhanHR,PetrikowskK.,Mater.Sci.Engi.C,2002,19,345NishizawaM,MenonVP,MartinCR,Science,1995,268,700ValizadehS,etal.,ThinSolidFilms,2002,402,262KleinJD,etal.,Chem.Mater.,1993,5,902引言SeminarI模板电化学合成法是选择具有纳米孔径的多孔材料作为阴极，利用物质在阴极的电化学还原反应使材料定向地进入纳米孔道中，模板的孔壁将限制所合成材料的形状和尺寸，从而得到一维纳米材料原理过程介绍BCYin,HYMa,etal.,ProgressInChemistry,2004,16,196SeminarI一般过程纳米孔道模板材料镀Au或Ag膜作阴极固定于导电基底上暴露于电解液恒电压恒电流电沉积溶解模板，得到纳米管或纳米线过程介绍SeminarI特点•实验设备简单，能耗低，反应可较低温度进行•可合成多种纳米材料•纳米材料粒径可调•可得单分散纳米结构材料•易于分离和收集过程介绍SeminarI影响因素•电流密度增大，有利于纳米晶体的形成•有机添加剂成核速率增大，晶粒生长速度变小，使晶面光滑，结晶细致•pH值低，析氢快，提供更多成核中心，使结晶细致，晶粒得到细化•温度升高，沉积速度增加，晶粒生长速度增加陈国华，电化学方法应用，北京：化学工业出版社，2003过程介绍SeminarI一般的电化学工作站都可以进行模板电化学合成材料IM6eelectrochemicalworkstation过程介绍SeminarI聚碳酸脂膜作模板制备铜纳米线a）重金属离子（Au197、Pb208）辐射膜（30-40μm）b）通过化学蚀刻得到具有纳米孔的模板（30-200nm）c）镀一层金属膜作为阴极，锥形铜作为阳极，置于电解液，沉积粒子于孔中d）孔被沉积满，于孔外长出一帽e）溶掉模板，得到铜纳米线应用举例(一)M.E.ToimilMolares,etal.,Adv.Mater.,2001,13,62SeminarII通电，双电层带电，电流增大，Cu2＋迁移有浓度梯度，形成扩散层，电流降低II铜沉积增长，电流几乎不变III长出帽，使面积变大，电流变大IV当铜在面上增长时，电流增加变慢，当铜长满整个面时，电流趋于定值M.E.ToimilMolares,etal.,Nucl.Instr.AndMeth.InPhys.Res.B,2001,185,192选择不同的时间得到不同纵横比应用举例(一)SeminarI（a）纳米线帽－单晶（b）纳米线帽－多晶III过程中溶解模板得到纳米线帽50℃-50mV室温较高电压应用举例(一)SeminarIII过程溶解模板得到纳米线（a）单晶－晶面轮廓光滑，直径均一（b）多晶－晶面轮廓粗糙应用举例(一)SeminarI纳米线帽高分辩单晶50℃-45mV戴帽子的铜纳米线全貌应用举例(一)SeminarI氧化铝膜为模板制备纳米Cu2OX.M.Liu,etal.,Appl.Phys.A,2005,81,685电解液：0.4MCuSO43M乳酸工作温度：60℃工作电压：-0.45VAM膜：厚度60μm孔直径100nm平均孔隙率30％应用举例(二)SeminarI可由电流密度比得出平均孔隙率30％SeminarI应用举例(二)pH8.0pH8.3pH8.6为什么会出现这种现象呢？SeminarI应用举例(二)2Cu2++2e+2OH-→2CuOH→Cu2O+H2OCu2++2e→Cu竞争OH-扩散慢SeminarI应用举例(二)未溶AM模板SEM分布比较均匀溶掉AM模板SEM，密度大，高度一致，分布均匀SeminarI应用举例(二)TEM单晶，且有很高的纵横比直径几乎相等，说明产物比较均匀SeminarI应用举例(二)结论•模板的孔结构直接影响纳米线的形貌•较高温度，较低电压得到单晶纳米线；较低温度，较高电压得到多晶纳米线•可以通过电流的变化来控制纳米材料的形貌•可以通过控制反应时间来得到不同纵横比的纳米材料•若有OH-参与反应，酸碱度会影响最终得到的材料应用举例SeminarI展望电化学法为纳米材料的制备开辟了一块新天地，与其他方法相比，该方法设备简单、操作方便、能耗低，而且可以通过模板的孔径和改变电化学参数获得不同形状和大小的纳米材料。再者，该方法应用范围广，原则上能在电极上沉积的物种都可以用该方法制备出纳米粒子，另外还可以和其他方法结合使用。但是，电化学合成纳米材料方法的研究起步晚，一些反应过程的机理还不清楚，此外，还不能在大批量合成纳米材料方面获得应用，所以，还有待于我们去进一步的研究。SeminarI参考文献[1]FranzkeD,WolaumA,J.Phys.Chem.,1992,96,6377[2]SunT,SeffK,Chem.Rev.,1994,94,857[3]HagfeldA,GratzelM.,Chem.Rev.,1995,95,49[4]SchmidG.Chem.Rev.,1992,92,1709[5]OzinGA.,Adv.Mater.,1992,4,612[6]PennerRM,MartinCR.,Anal.Chem.,1987,59:2625-2629[7]MartinCR.Chem.Mater.,1996,8,1739[8]HulteenJ.C.,MartinC.R.,J.Mater.Chem.,1997,7,1075[9]CharlesR.Martin,etal.,J.Am.Chem.Soc.,1990,112,8976[10]KhanHR,PetrikowskK.,Mater.Sci.Engi.C,2002,19,345[11]NishizawaM,MenonVP,MartinCR,Science,1995,268,700[12]ValizadehS,etal.,ThinSolidFilms,2002,402,262[13]KleinJD,etal.,Chem.Mater.,1993,5,902[14]M.E.ToimilMolares,etal.,Adv.Mater.,2001,13,62[15]陈国华，电化学方法应用，北京：化学工业出版社，2003SeminarI[16]M.E.ToimilMolares,etal.,Nucl.Instr.AndMeth.InPhys.Res.B,2001,185,192[17]BCYin,HYMa,etal.,ProgressInChemistry,2004,16,196[18]X.M.Liu,etal.,Appl.Phys.A,2005,81,685[19]CharlesR.Sides,CharlesR.Martin,Adv.Mater.,2005,17,125[20]TimS.Olson,etal.,J.Phys.Chem.B,2005,109,1243[21]X.Xu,G.Zangari,J.Appl.Phys.,2005,97,10A306[22]LifenXu,etal.,J.Phys.Chem.B,2005,109,13519[23]NathanJ.,Gerein,JoelA.Haber,J.Phys.Chem.B,2005,109,17372[24]ThomasM.Day,etal.,J.Am.Chem.Soc.,2005,127,10639[25]BernadetteM.Quinn,J.Am.Chem.Soc.,2005.127,6164参考文献SeminarI孔隙率，meanporosity，Theratioofthevolumeofalltheporesinamaterialtothevolumeofthewhole.孔隙率：一材料中孔隙的总体积与整个材料的体积之间的比率双电层，当电极体系中的金属表面带有电荷时，显然是吸引溶液中带有异号电荷的离子而排斥带有同电荷的离子。这样，在金属/溶液界面两侧形成了两层电荷，成为双电层。其它电化学方法制备纳米材料：稳定剂保护下电化学还原法制备金属溶胶：在有机相或水相电解液中加入适当的添加剂，可以用简单的二电极体系合成多种金属、金属氧化物和半导体的纳米粒子。该研究近几年刚起步，其合成条件和纳米粒子的形成机理还不是很明确，至今尚未有人做过系统的研究。脉冲超生电化学法合成纳米粒子的研究：超声波是由一系列疏蜜相间的纵波构成，并通过液体介质传播，当超声波能量足够高时会产生“超声空化”作用，空化气泡在形成与湮灭的瞬间会产生局部的高温高压。超声波在电化学系统中通过超声能量对电极界面的扰动使电极表面得到清洁，并且使电极附近双电层内的金属离子得到更新。电化学表面原子台阶边缘修饰法制备一维纳米材料：可制得长15nm－1μm、长度达500μm的金属纳米线，一般的方法得到的不会长于10μm