具有纳米阵列规则结构的多孔阳极氧化铝以及其相应的阳极氧化过程已受到广泛的关注。尽管其它的多孔物质,如聚合物核径迹膜和分子筛等,也被用作纳米模板,但多孔阳极氧化铝膜由于其规则的平行孔道和高的孔密度特征,使之在纳米材料制备中具有独特的优势,并已成为一种制备纳米阵列结构的重要模板。同时,纳米通道的尺寸和间隔可通过高纯铝片在特定电解液中的电解电压的改变来加以调控。这使得阳极氧化铝膜可以作为研究纳米通道中物质传输机制以及在纳米空间尺度下物质特性的模型体系。本论文围绕多孔阳极氧化铝纳米阵列通道的制备、性质及其应用等问题,开展了以下几方面的工作。1.孔径与孔间距连续可控的多孔阳极氧化铝制备新方法提出了以聚乙二醇作为调节剂来调控多孔阳极氧化铝的制备过程,首次实现了阳极氧化铝孔径的连续可调,并结合孔间距控制效应,实现了对多孔阳极氧化铝这一重要的纳米尺度模板和分离膜的形貌及性质的精确调控,并根据微观形貌和电化学研究结果,提出了制备中的孔径调控机理。电解液中聚乙二醇的作用机制是：1)使障碍层的结构更为紧密；2)显著抑制氧化铝的化学溶解速度,从而形成更小的纳米孔道；3)使电解液粘度增加,降低了电解过程中的离子迁移速度,从而导致电解电流的下降。因而,聚乙二醇的加入,可实现高电位下的阳极氧化过程,避免了在通常情况下所发生的击穿现象。以此方法,在磷酸电解液中制备得到的多孔阳极氧化铝膜的孔间距可达到610 nm。2.多孔阳极氧化铝的绿色电化学剥膜方法提出了一种用于获得通孔阳极氧化铝膜的绿色一步电化学脉冲剥膜方法。该方法以高氯酸与乙醇的混合溶液为剥膜溶液。在阳极氧化后,在剥膜液中通过原位施加一个脉冲电压,可同步完成阳极氧化铝与基底的剥离以及障碍层的溶解。我们系统研究了脉冲电压以及剥膜液组成对剥膜效果的影响。与常规的电化学剥膜方法相比,我们提出的方法更为高效与绿色环保,同时,更容易对开孔尺寸进行调控,有望成为制备通孔的自支撑阳极氧化铝膜的常规剥膜技术。3.自剥离膜的制备方法在含有聚乙二醇添加剂的高浓度磷酸电解液中,采用一步高电位阳极氧化法制备自剥离双层多孔阳极氧化铝膜。通孔的上层膜可以直接作为生物／化学分离膜或是纳米模板。多孔下层膜具有另一种独特的形貌,为铝基底上的纳米试管阵列。我们系统研究了影响自剥离过程的因素,并提出了自剥离膜形成的机制。这些独特的结构是由于阳极氧化过程中高电流密度所产生的局部热对障碍层氧化铝的加速溶解所形成的。4.电中性分子在多孔阳极氧化铝纳米通道中的扩散行为以苯酚为探针,研究了阳极氧化铝纳米通道中电中性极性分子的特殊扩散行为。多孔阳极氧化铝膜具有规则、高密度的表面荷电纳米通道,其孔道表面可在电解质溶液中形成双电层结构。由于双电层电场对极性分子的诱导作用,苯酚在双电层中的扩散受到了限制。根据这一现象,我们将氧化铝纳米通道分成自由扩散区域和限制扩散区域两个部分。实验发现,苯酚在纳米通道中的总扩散流量取决于限制扩散区域和自由扩散区域的空间分布,也就是双电层在整个纳米管中所占比例。电解质溶液的离子强度以及纳米孔道表面电荷密度对双电层的厚度以及电场强度产生直接的影响,因此,这些参数能调控苯酚在纳米通道中的扩散流量。限制扩散区域对总扩散流量的影响取决于孔道的尺寸,随着孔道尺寸的增大,限制扩散区域在整个纳米通道中所占有的比例减小,对总扩散流量的贡献变小。5.多孔阳极氧化铝膜纳米通道中的电渗流研究系统研究了阳极氧化铝膜纳米通道中的电渗流性质,发现它对荷电通道的跨膜物质传输中起到了关键作用。通过调控溶液的酸度和跨膜电流的大小与方向,可以在时间和空间上调节跨膜物质传输特性。在系统研究了荷电表面性质以及电解质离子强度对电渗流的影响后发现,阴离子掺杂和吸附导致了阳极氧化铝表面荷电性质的变化,继而影响物质传输的速度与方向。与具有固定表面电荷的纳米通道相比,这种表面电荷的变化特性增加了阳极氧化铝膜的应用范围。6.电动法快速制备纳米管在上章研究的基础上,提出了一种基于多孔阳极氧化铝纳米通道电动学性质的快速制备纳米管的新方法。利用阳极氧化铝膜分隔两种带有相反电荷的反应物,通过施加跨膜电位,使反应物迁移入纳米通道中形成反应区,在阳极氧化铝纳米通道电渗流的驱动下,反应区发生移动,形成纳米管结构。以普鲁士蓝为例,阳极池和阴极池分别装有Fe3+和Fe(CN)64-,在施加跨膜电位后,可在多孔阳极氧化铝纳米通道中快速形成普鲁士蓝纳米管。纳米管的形貌可通过模板尺寸、反应物浓度、跨膜电位、制备时间等加以调控。利用该方法可以制备符合反应条件的各种无机纳米管材料。7.电控离子交换的高稳定性铁氰酸镍纳米管的制备与表征利用上章提出的资本方法制备了铁氰酸镍纳米管,所得纳米管通过扫描电镜和透射电镜加以表征。红外光谱、紫外光谱、电子能谱和电化学等实验结果表明,所制得的铁氰酸镍纳米管具有单一组成,其分子式为K2Ni[Fe(CN)6]。由于其单一的组成及独特的纳米结构,铁氰酸镍纳米管表现出高效、稳定的铯离子交换能力。铁氰酸镍纳米管修饰电极的交换容量在循环扫描500圈后,仍保持初始值的95.3%。即使在循环扫描1500圈和3000圈后,其交换容量仍有92.2%和82.9%。8.阳极氧化铝纳米通道-离子通道复合结构用于蛋白质的高效富集利用障碍层氧化铝的离子通道特性与多孔层纳米通道结构相结合,提出了一种新型的可用于蛋白质高效富集的纳米通道-离子通道复合结构。通过铝片的阳极氧化以及铝基底的去除可得到该复合结构。当在纳米通道-离子通道复合结构两侧施加跨膜电压时,荷电蛋白质可通过电泳力进入纳米通道,同时,由于障碍层离子通道的尺寸排阻效应使得蛋白质被捕获富集在纳米通道中。