氧化铝的“时尚应用”—阳极氧化铝板，背后的技术不简单！

近年来，阳极氧化铝板凭借加工性能好、耐候性好、金属感强、防火性能好、抗污性好等特点受到建筑装饰界的追捧，被广泛应用于建筑外立面、幕墙、室内的墙面顶面等，视觉冲击感强烈。而家电采用阳极氧化铝板做面板之后，由于具备特殊的金属感，也烘托出十足的科技感。

（图片来源：中国铁建） 

这都来源于其背后的技术-阳极氧化铝薄膜技术，这是在应用领域和研究前沿都非常火的一项技术，今天我们就来了解一下这项技术有何特殊之处。

何为阳极氧化铝

阳极氧化铝薄膜技术，是将预处理后的铝浸入酸性或碱性电解液中作为阳极，以惰性材料（石墨、铂、铅等）作为阴极，在电场及酸性场的共同作用下，发生氧化还原反应，在阳极生成一层非晶态氧化铝（Al2O3）薄膜的技术。

阳极氧化铝按结构划分，可以分为致密型（BAA）与多孔型（PAA）两种，将铝片放入硼酸、乙二酸、及其铵盐的水溶液等近中性的电解液通过阳极氧化可以得到致密型氧化铝薄膜，而在酸性（硫酸、磷酸等无机酸系，草酸、柠檬酸、羟乙磷酸等有机酸系）或碱性（氢氧化钠、氢氧化钾等）电解液中则会形成多孔型氧化膜。 其厉害之处在于，阳极氧化铝作为一种多孔纳米薄膜材料，除本身作为纳米材料所表现出的良好性能外，还能用作模板制备一维纳米材料，包括纳米线、纳米管等。 

对其结构的猜想

早在上世纪20年代研究阳极氧化铝初始，人们主要关注阳极氧化铝的表面防护功能，包括其优越的耐蚀性和良好的耐磨性。随后阳极氧化铝的结构开始被关注，自上世纪 30 年代人们开始研究阳极氧化铝的微观结构以来，提出了各种各样的结构模型，其中修正后的 Keller 模型形象的表现了阳极氧化的微观结构，是现在较为认同、使用率较高的一种模型，为现阶段的研究提供了良好的基础。 

多孔阳极氧化铝的结构模型
上图即为修正后的Keller模型，左图为阳极氧化铝的微观结构整体图，右图为阳极氧化铝的微观结构截面图。从右图中可以看出，薄膜分为三部分，分别为孔道平行排列的多孔氧化物层、致密度高的阻挡层、铝基；从左图可以看出多孔层由紧密相连的六角形柱状原胞组成，原胞的中心为圆柱形孔道，孔道垂直于铝基，因氧化膜的结构跟蜂窝的结构类似，因此修正后的 Keller 结构模型也常被人们称为“六角形蜂窝状结构”。 

阳极氧化铝的制备方法

一次阳极氧化法

在阳极氧化铝发展之初，几乎所有的研究者都采用一次阳极氧化法，该方法是将预处理好的铝片进行阳极氧化，并得到模板的过程，但研究结果表明：该方法制备的PAA膜有序度较差，孔在生长过程中易出现支孔、截断孔等不规则的孔道，因此无法作为制备纳米材料的模板，但由于一次阳极氧化法得到的模板孔隙率较低，且经化学法修饰之后，表现出超疏水的特性，因此广泛应用于海洋防腐。 

二次阳极氧化法

 二次阳极氧化法将一次阳极氧化之后的铝片浸入铬酸磷酸缓和溶液中，在一定温度下，通过铬酸与磷酸对氧化膜的溶解作用，使一次阳极氧化后的氧化膜溶解，留下规则排列的纳米级凹痕，随后在相同的条件下进行二次阳极氧化的方法。 日本学者 Masuda 等通过实验发现：这些规则的凹痕，将成为二次阳极氧化的初始位点，生成的多孔层相较于一次阳极氧化法更加有序，支孔、截断孔的数量明显减少，可用作模板制备纳米材料。二次阳极氧化法的发现是阳极氧化铝发展历史上的一次创举，具有里程碑式的意义。

（图片来源：中国铁建） 

阳极氧化铝的应用

阳极氧化铝作为多孔型纳米材料，容易制备且成本低，性能稳定，孔洞高度有序、结构参数可调等一系列优点，在光子晶体、传感器、过滤分离、一维纳米材料制备、催化等方面具有良好应用。 

光子晶体方面的应用

刘忆森采用周期性变电压的方法成功制备了阳极氧化铝层状光子晶体，实现了光子晶体的的大面积有序制备，并通过调节实验参数，达到了调整光子晶体禁带位置的目的。蒲彦钧通过阳极氧化铝光子晶体的周期性结构，控制了反射光谱，进一步模拟了绿色植被反射曲线。与一般电子比较，光子在信息容量、响应速度、能量消耗等方面有很大优势。所以，光子晶体适合作为新型材料发展。 

传感器方面的应用

有研究者先将生物素和链霉亲和素附着到阳极氧化铝薄膜表面，再用其检测生物素修饰的DNA，结果在处理后的阳极氧化铝表面检测到了互补DNA，导致其反射光谱发生红移，这种传感器成功监测了物质变化。

过滤分离方面的应用

 由阳极氧化铝的结构可知，经过处理去掉铝基和阻挡层后，多孔层就相当于一面可以筛分粒径极小物质的“筛子”，因此阳极氧化铝在过滤分离方面有良好应用。

 （1）用于气体分离。有研究者通过热解的方法在阳极氧化铝的表面和孔道内附着了一层碳膜，进一步氟化后，就得到了可用于分离水蒸气和乙醇气体的复合薄膜。这种类似的方法也被利用到分离甲烷和氢气、烟道气体的脱氧、脱硫等。

 （2）作为离子选择性膜。给阳极氧化铝薄膜施加大于零的电位时，其表面带正电，可以进行阴离子选择；相反，具有阳离子选择性。 （3）医学上的应用。可进行纳米尺寸蛋白质和血液的分离，大肠杆菌的截留、葡萄糖的过滤，以及用于去除发酵液和细胞组织培养液中的菌体、细胞残渣等。脂质体在医药方面应用广泛，但以往制备的脂质体具有粒径不均匀的弱点，这直接影响了它的稳定性和载荷能力，因此可以利用阳极氧化铝的纳米孔对脂质体进行塑形，从而达到控制其粒径的目的。 除此之外，多孔阳极氧化铝在作为模板制备一维磁性纳米材料方面也应用广泛。