環(huán)形碳電極及使用其制備Co納米線/氧化鋁薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)及材料合成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)形碳電極、其制備方法及使用其制備Co納米線/氧化鋁薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔陽極氧化銷(Porous Anodic Alumina)，簡(jiǎn)稱PAA，是將高純銷置于酸性電解液中在低溫下經(jīng)陽極氧化而制得的具有自組織的高度有序納米孔陣列結(jié)構(gòu)。它由阻擋層和多孔層構(gòu)成，緊靠金屬鋁表面是一層薄而致密的阻擋層，多孔層的膜胞為六邊緊密堆積排列，每個(gè)膜胞中心都有一個(gè)納米級(jí)的微孔，孔的大小比較均勻，且與鋁基體表面垂直，彼此平行排列。多孔陽極氧化鋁膜制備工藝簡(jiǎn)單，孔的形貌和大小還可以隨電解條件不同在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，此外具有納米孔洞的多孔陽極氧化鋁薄膜是寬帶隙金屬氧化物半導(dǎo)體材料，具有熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性和高介電常數(shù)，在有序納米結(jié)構(gòu)的合成中得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]結(jié)構(gòu)色是由于復(fù)色光(例如自然光)經(jīng)薄膜的上表面和下表面反射后相互干涉而產(chǎn)生。多孔氧化鋁薄膜各處的厚度相同，由于等傾干涉可以呈現(xiàn)出單一結(jié)構(gòu)色。單一結(jié)構(gòu)色的顏色取決于多孔氧化鋁薄膜的厚度，但顏色飽和度較低。隨著光子晶體研宄的深入，關(guān)于氧化鋁薄膜的結(jié)構(gòu)色問題也有了一定的研宄。
[0004]1969年，Diggle等人報(bào)道在可見光范圍內(nèi)，有鋁基支撐的氧化鋁薄膜當(dāng)厚度小于I μπι時(shí)因光干涉作用會(huì)產(chǎn)生明亮的顏色。2007年，日本東北大學(xué)Wang等人報(bào)道利用CVD技術(shù)在氧化鋁薄膜上沉積碳納米管后，制備出了顏色飽和度較高的氧化鋁薄膜。隨后，2010年，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研宄院固體所趙相龍博士在碳管復(fù)合氧化鋁復(fù)合薄膜顏色的調(diào)控研宄方面取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳管復(fù)合氧化鋁復(fù)合薄膜顏色的精細(xì)調(diào)控。2012年以來，河北師范大學(xué)孫會(huì)元教授小組制備出具有磁性、高飽和結(jié)構(gòu)色的氧化鋁復(fù)合薄膜，但是這種薄膜在同一次制備過程中只能出現(xiàn)磁性相同的單一結(jié)構(gòu)色。2013年河北民族師范學(xué)院采用一次氧化工藝制備出了漸變孔深、同時(shí)具有虹彩環(huán)形結(jié)構(gòu)色的氧化鋁薄膜，采用一次氧化工藝制備出具有不同孔深和孔徑的多孔結(jié)構(gòu)同時(shí)具兩種不同結(jié)構(gòu)色的氧化鋁薄膜，還制備出了一種具有條紋狀虹彩結(jié)構(gòu)色的氧化鋁薄膜，但是其結(jié)構(gòu)色飽和度均有待提高，同時(shí)薄膜的物性單一。
[0005]但是，到目前為止還沒有關(guān)于利用環(huán)形碳電極制備出具有漸變磁性氧化鋁復(fù)合薄膜的報(bào)道，也沒有具有虹彩環(huán)形結(jié)構(gòu)色的氧化鋁復(fù)合薄膜的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)形碳電極、其制備方法及使用其制備Co納米線/氧化鋁薄膜的方法，所述環(huán)形碳電極制備簡(jiǎn)單、實(shí)用，可用于制備Co納米線/氧化鋁薄膜，所述Co納米線/氧化鋁薄膜具有漸變的磁性，并且能夠顯現(xiàn)出高飽和度環(huán)形虹彩結(jié)構(gòu)色。
[0007]一方面，本發(fā)明提供了一種環(huán)形碳電極，所述環(huán)形碳電極包括碳片及包裹所述碳片的不導(dǎo)電薄膜，所述碳片上有一環(huán)形裸露區(qū)。
[0008]所述環(huán)形裸露區(qū)的外直徑為33?37mm，如33mm、34mm、35mm、36mm或37mm等，內(nèi)直徑為31?35_，如31mm、32mm、33mm、34mm或35_等；且所述外直徑比內(nèi)直徑大2_。
[0009]所述不導(dǎo)電薄膜起到阻止碳片與電解液導(dǎo)電的作用，且所述不導(dǎo)電薄膜不與電解液和碳片反應(yīng)。
[0010]優(yōu)選地，所述不導(dǎo)電薄膜為硝化纖維素膜。
[0011]另一方面，本發(fā)明提供了所述環(huán)形碳電極的制備方法，所述制備方法為:在碳片上確定環(huán)形裸露區(qū)的大小及位置，之后在碳片上環(huán)形裸露區(qū)以外的區(qū)域包裹不導(dǎo)電薄膜，即得到所述的環(huán)形碳電極。
[0012]“在碳片上環(huán)形裸露區(qū)以外的區(qū)域包裹不導(dǎo)電薄膜”的方法是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，典型但非限制性的為:先用工具確定環(huán)形裸露區(qū)，之后用硝化纖維素溶液涂覆除環(huán)形裸露區(qū)之外的部分，其中碳片上部正面、背面和側(cè)面留有1.5cm的未涂覆部分，作為連接導(dǎo)體。
[0013]本發(fā)明還提供了一種Co納米線/氧化鋁薄膜的制備方法，所述方法為:將經(jīng)過電化學(xué)氧化的鋁箔與如上所述的環(huán)形碳電極作為對(duì)電極平行置入含Co離子溶液中進(jìn)行交流電沉積，得到Co納米線/氧化鋁薄膜。
[0014]所述Co納米線/氧化鋁薄膜中Co納米線位于氧化鋁薄膜的孔洞中，并且Co納米線的長度沿氧化鋁薄膜的中心向四周對(duì)稱性遞減。
[0015]精確控制復(fù)合薄膜制備過程中的氧化時(shí)間、氧化電壓、交流沉積時(shí)間和交流沉積電壓，可使制備的Co納米線/氧化鋁薄膜顯現(xiàn)出高飽和度環(huán)形虹彩結(jié)構(gòu)色。
[0016]所述交流電沉積的電壓為26?28V，如26V、27V或28V等；所述交流電沉積的時(shí)間為 10 ?40s，如 11s、13s、15s、17s、19s、20s、22s、25s、28s、30s、32s、35s、37s 或 38s 等；所述交流電沉積過程中使用的環(huán)形碳電極的內(nèi)外直徑大小分別為33mm和35mm。
[0017]優(yōu)選地，所述對(duì)電極之間的間距為4?6cm，如4cm、5cm或6cm等。
[0018]優(yōu)選地，所述環(huán)形碳電極中心與鋁箔中心的連線垂直于所述環(huán)形碳電極。
[0019]優(yōu)選地，所述含Co離子溶液為0.10?0.14mol/L的CoSO4.7H20和0.37?0.41mol/L 硼酸混合液，所述 CoSO4.7H20 的濃度可以為 0.1lmol/L、0.12mol/L、0.13mol/L或 0.14mol/L 等，所述硼酸的濃度可以為 0.38mol/L、0.39mol/L、0.40mol/L 或 0.41mol/L等。
[0020]由于交流電沉積在氧化鋁薄膜的孔洞中形成了 Co納米線，使得氧化鋁薄膜的折射率增加，從而使得鋁和氧化鋁界面的反射光減弱，導(dǎo)致顏色飽和度提高；同時(shí)由于環(huán)形碳電極的作用，在沉積過程中電流密度從氧化鋁薄膜的中心處向外對(duì)稱性遞減，使得Co納米線的長度及磁性從薄膜的中心處向四周對(duì)稱性遞減，且Co納米線/氧化鋁復(fù)合薄膜呈現(xiàn)出高飽和度的環(huán)形虹彩結(jié)構(gòu)色。
[0021]所述鋁箔進(jìn)行電化學(xué)氧化的電壓為15?25V，如16V、17V、18V、19V、20V、21V、22V、23V或24V等，電化學(xué)氧化的時(shí)間為11?13min，如llmin、12min或13min等，此時(shí)能夠制得具有單一結(jié)構(gòu)色的氧化鋁薄膜。
[0022]優(yōu)選地，所述電化學(xué)氧化的電解液為4.75?5.25wt %的磷酸，如4.80wt %、4.85wt%>4.90wt%>4.95wt%>5.0Owt5.1Owt5.15界1:%或 5.20wt%等。
[0023]所述鋁箔在進(jìn)行電化學(xué)氧化前進(jìn)行預(yù)處理。
[0024]優(yōu)選地，所述預(yù)處理依次包括剪裁、清洗、退火和電化學(xué)拋光。
[0025]具體地，所述預(yù)處理為:將純度為99.999 %，厚度為0.3mm的高純鋁箔剪成2cm左右的圓片，壓平后放在丙酮溶液中超聲波清洗30分鐘，隨后放入酒精中超聲清洗30min，最后在去離子水中反復(fù)沖洗，晾干后放置在石英管式爐中，在400°C真空退火2h，冷卻至室溫。然后對(duì)退火后的高純鋁箔進(jìn)行電拋光處理，電拋光液為體積比1:4的此104與無水乙醇的混合液，以鋁箔作為陽極，碳棒作為陰極，在電壓20V左右進(jìn)行電氧化5min。
[0026]本發(fā)明還提供了一種由如上所述的制備方法制備得到的Co納米線/氧化鋁薄膜。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0028]本發(fā)明提供的環(huán)形碳電極制備方法簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低，利用所述的環(huán)形碳電極只需通過一次交流電沉積工藝即可制備出Co納米線/氧化鋁薄膜。所述Co納米線/氧化鋁薄膜具有漸變的磁性(如同一 Co納米線/氧化鋁薄膜不同位置其磁性在0.51emu/cm3-0.24emu/cm3之間)，能夠顯現(xiàn)出高飽和度環(huán)形虹彩結(jié)構(gòu)色，制備流程簡(jiǎn)單，制備成本低。所述