多孔氧化铝模板法制备聚苯胺一维纳米材料
- 课题背景及研究意义
- 一维纳米材料
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（1~100nm）的超细材料。纳米材料的特殊结构决定了其具有一系列的特殊效应，如：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，因此纳米材料在电学、力学、光学、磁学、热学和化学等领域表现出与常规材料不同的性质，从而使得纳米材料在半导体材料、光催化、生物医药、环境保护、军事等越来越多的领域有着广阔的应用前景[1-4]。
一维纳米材料指的是在两维方向上为纳米尺度的材料，其长度方向的尺寸远大于径向尺寸，包括纳米管、纳米棒、金属及半导体纳米线、同轴纳米电缆、纳米带等。
- 多孔阳极氧化铝模板
近年来，已经发展了大量的一维纳米材料的制备方法[5-7]，按照生长机制的特点，一维纳米材料的制备可分为气相法、液相法和模板法[8-11]三大类。其中模板法受到人们的广泛关注。所谓模板法，就是利用尺寸可控的多孔材料为模板，通过模板的空间限制，采用电化学沉积、化学气相沉积等方法在模板中沉积金属、半导体、碳等物质，而得到在衬底上沿一维方向定向、定位生长的纳米结构材料的方法。
模板法合成纳米材料与直接合成相比具有诸多优点，主要表现在：(1)以模板为载体精确控制纳米材料的尺寸和形状、结构和性质；(2)实现纳米材料合成与组装一体化，同时可以解决纳米材料的分散稳定性问题；(3)合成过程相对简单，很多方法适合批量生产。其中阳极氧化铝膜（Porous Anodic Alumina, PAA）具有：孔洞均匀且高度有序、孔径和厚度可通过阳极氧化电压、时间和电解质溶液种类进行调控等优点，是目前应用较多的模板。
- 聚苯胺
聚苯胺(Polyaniline, PANI)具有良好的热稳定性和化学稳定性，环境友好、易加工、廉价易得等许多优点；同时它还能通过电荷转移掺杂与质子化，掺杂/解掺杂过程可逆，故可以在其导电态和绝缘态之间可逆迅速地转换，实现反复充电。掺杂态聚苯胺已成为当前物理、化学和材料科学中研究最多的导电聚合物之一。利用氧化铝模板法制备聚苯胺纳米线，一般是采用剥离法把多孔氧化铝膜从铝基体上剥离下来，再在膜的一面沉积一层贵金属作导电层，然后在纳米孔中沉积纳米线[12]。
- 研究意义
通过模板法制备的一维聚合物纳米材料，由于模板的限制作用，聚合物分子链排列更有序，从而具有独特的结构和性能，可广泛应用于纳米器件，纳米电路，纳米传感器等方面，如模板法合成的导电高分子纳米丝，其外层分子链呈有序排列，导致其电导率比块状试样高几个数量级，可用于制备纳米电路的导线等，一维聚合物纳米材料比表面积极大，其电学输运性能随环境和吸附物质而改变，可用作高灵敏度传感器，导电聚合物纳米管阵列可用于生物反应器或生物传感器的生物酶微胶囊，具体的方法是在模板中合成聚合物纳米管，将高浓度的生物酶充填到纳米管中并封管，形成可用于水相或有机相的酶生物反应器，这种生物酶的微胶囊阵列可极大地提高反应效率和敏感性。
- 国内外研究现状及发展趋势
PAA是在草酸、硫酸和磷酸等可以溶解氧化铝的电解液中通电氧化得到的多孔阳极氧化铝，在一定条件下自组装形成有序排布的孔洞结构。早在1920年，PAA便开始在工业中得到应用，直到现在PAA仍在工业中的铝材表面处理上占有极为重要的地位。在过去二十年中，通过利用其高度有序的结构特征，PAA已经集中用作功能性纳米结构或纳米装置的模板，模板掩模或支架。用于开发功能纳米结构的方法包括电化学沉积（ECD），原子层沉积（ALD），化学气相沉积（CVD），物理气相沉积（PVD）等。包括碳纳米管（CNT），金属，半导体或聚合物纳米线/纳米管的各种纳米结构以及纳米点/纳米孔的有序阵列已经通过利用PAA作为模板或模板掩模成功地制造。PAA制备方法有很多，下面介绍几种比较常用的方法。
2.1二次阳极氧化法
