烏學東團隊電化學－化學共沉積制備疏水性Ni-P合金膜
2014-04-09 16:52:22
admin
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據中科院網2014年3月12日訊 具有微納米多級形貌的圖案化薄膜具有特殊的親疏液性能，在海洋防污防腐等研究領域中占有很重要的位置。中國科學院寧波材料技術與工程研究所烏學東研究團隊之前通過電化學－化學共沉積的方式得到了表面形貌可控的Ni-P合金薄膜，這一薄膜無需進行低表面能氟化物的修飾即展現(xiàn)出了較強的疏水性能。
*近，該課題組對這一共沉積形貌的變化規(guī)律進行了更進一步的研究，對薄膜形貌的變化機理有了更深入的認識。他們通過對不同沉積時間下薄膜形貌和元素成分等信息的觀察，認為薄膜形貌的產生是通過還原-放電過程（reducing-discharging process）來生長的。即薄膜在初始階段，會有通過還原劑還原形成的納米級顆粒零散分布在基底薄膜表面，使得平整的基底/沉積表面首次出現(xiàn)了一定的納米級的粗糙度。根據尖端放電原理，由于表面變得更加粗糙，粗糙度比較大的顆粒曲率比較大，表面電荷分布比較集中電流密度偏大，電沉積速度比較快。這樣就造成了沉積速率在基底表面的不均勻，直接引起了之后表面形貌的產生。
不同沉積時間對Ni-P合金薄膜表面形貌的影響的掃描電子顯微鏡照片
（a～f依次為1min、5min、10min、20min、30min、
60min的低放大倍數(shù)圖片顯示薄膜沉積的均勻性）
同時，薄膜的生長過程還結合不穩(wěn)定生長理論（the theory of unstable growth process）進行了解釋。根據這一理論，電解液中擴散傳質過程容易在沉積表面引起任意形狀的凸起，進而增強了沉積薄膜表面形貌的不穩(wěn)定性。沉積過程產生的波動造成表面形貌進一步變化。協(xié)同沉積過程通過XPS對表面元素價態(tài)的分析也可以進行驗證。通過對薄膜中P元素的價態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)P元素除了以零價態(tài)的形式存在外，還有一部分的價態(tài)形式與亞磷酸根中P的價態(tài)形式相吻合。而薄膜中亞磷酸根的存在即可證明電解液中發(fā)生了還原反應（次磷酸根與鎳離子發(fā)生還原反應，產生亞磷酸根）。這一結果為協(xié)同沉積提供了直接的強有力的證據。
純Ni薄膜（上）和圖案化Ni-P合金薄膜（下）的生長示意圖
該研究工作還表征了沉積薄膜的疏水性能，該薄膜具有超疏水低接觸角滯后等優(yōu)異的性能。結合鎳合金本身良好的防腐蝕性能，這一圖案化薄膜在防腐方面具有應用價值的潛力。同時，圖案化形貌的存在，不利于微生物在表面的吸附，也可以應用于防污領域。
該研究工作發(fā)表于美國化學會雜志ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (2), pp 1053–1060。工作得到了國家自然科學基金(No. 51105356, 51335010)的資助，以及浙江省創(chuàng)新團隊(No. 2011R50006)和寧波市創(chuàng)新團隊(No. 2011B31023)的支持。