AAO的快速制备及其溶解机理的第一性原理研究

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实验将0.3 mol/L草酸电解液的溶剂设置为去离子水与乙醇的体积比分别为1:1、2:1、3:1和4:1的混合溶液,同时使用磁搅拌进行二次高压阳极氧化,通过分析电流曲线图和AFM表征图来研究乙醇和磁搅拌对高压制备阳极氧化铝的影响。采用第一性原理计算了单个H2O、H2C2O4、OH-、HC2O4-分别在α-Al2O3(0001)表面的七个高对称位上的吸附行为,三个OH-在α-Al2O3(0001)表面上吸附行为以及四个OH-和三个H2C2O4同时在α-Al2O3(0001)表面上吸附行为,通过分析吸附能和弛豫结果构型图研究阳极氧化铝的溶解机理。水与乙醇体积比分别为1:1、2:1、3:1和4:1时得到的一次氧化和二次氧化电流曲线汇总图中,升压阶段产生的电流值随着水与乙醇体积比的增大而增加。添加硫酸的0.3 mol/L草酸电解液中制备出AAO模板的AFM图中,不使用磁搅拌制备出的模板孔径小且有序度差,使用磁搅拌制备出的模板有序度好。四种粒子在α-Al2O3(0001)表面吸附的计算结果是,H2O和H2C2O4在体系表面的吸附能较小,H2O可以在铝顶位发生吸附,H2C2O4在氧顶位上发生解离;四种粒子中OH-在体系表面的吸附能值最大并在铝顶位有最大值2.84643eV,在铝顶位、氧桥位、氧心位和氧顶位氢氧根能吸附在体系表面上,HC2O4-在铝顶位、氧桥位和氧心位能吸附在体系表面上。三个OH-在α-Al2O3(0001)表面吸附的计算结果是,吸附粒子X、Y坐标固定时体系表面的一个O-Al键断裂,吸附粒子X、Y坐标不固定时吸附粒子的化学键方向发生转动,两种情况下三个OH-都吸附在表面的一个Al原子上。四个OH-和三个H2C2O4在α-Al2O3(0001)表面吸附的计算结果是,H2C2O4的O-H键断裂后H原子吸附在了Al原子周围的三个氧原子上,三个OH-都吸附在了中心的Al原子上并将Al原子拖拽离开体系。实验结果表明溶剂中水与乙醇体积比的大小对制备出模板的孔径和孔间距几乎没有影响;氧化过程中及时改变磁搅拌的速度可以有效抑制烧穿现象,使用变速磁搅拌也可制备出高有序度的AAO模板。计算结果表明单个H2O、H2C2O4、OH-、HC2O4和三个OH-在α-Al2O3(0001)表面上吸附不能使氧化铝溶解,而四个OH-和三个H2C2O4在α-Al2O3(0001)表面上吸附可以使氧化铝发生溶解。根据这一结论提出一个氧化铝溶解机理的化学反应方程式,即Al2O3与OH-和H2C2O4反应生成Al(OH)3和HC2O4-
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