乌学东团队电化学－化学共沉积制备疏水性Ni-P合金膜
2014-04-09 16:52:22
admin
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据中科院网2014年3月12日讯 具有微纳米多级形貌的图案化薄膜具有特殊的亲疏液性能，在海洋防污防腐等研究领域中占有很重要的位置。中国科学院宁波材料技术与工程研究所乌学东研究团队之前通过电化学－化学共沉积的方式得到了表面形貌可控的Ni-P合金薄膜，这一薄膜无需进行低表面能氟化物的修饰即展现出了较强的疏水性能。
*近，该课题组对这一共沉积形貌的变化规律进行了更进一步的研究，对薄膜形貌的变化机理有了更深入的认识。他们通过对不同沉积时间下薄膜形貌和元素成分等信息的观察，认为薄膜形貌的产生是通过还原-放电过程（reducing-discharging process）来生长的。即薄膜在初始阶段，会有通过还原剂还原形成的纳米级颗粒零散分布在基底薄膜表面，使得平整的基底/沉积表面首次出现了一定的纳米级的粗糙度。根据尖端放电原理，由于表面变得更加粗糙，粗糙度比较大的颗粒曲率比较大，表面电荷分布比较集中电流密度偏大，电沉积速度比较快。这样就造成了沉积速率在基底表面的不均匀，直接引起了之后表面形貌的产生。
不同沉积时间对Ni-P合金薄膜表面形貌的影响的扫描电子显微镜照片
（a～f依次为1min、5min、10min、20min、30min、
60min的低放大倍数图片显示薄膜沉积的均匀性）
同时，薄膜的生长过程还结合不稳定生长理论（the theory of unstable growth process）进行了解释。根据这一理论，电解液中扩散传质过程容易在沉积表面引起任意形状的凸起，进而增强了沉积薄膜表面形貌的不稳定性。沉积过程产生的波动造成表面形貌进一步变化。协同沉积过程通过XPS对表面元素价态的分析也可以进行验证。通过对薄膜中P元素的价态分析，发现P元素除了以零价态的形式存在外，还有一部分的价态形式与亚磷酸根中P的价态形式相吻合。而薄膜中亚磷酸根的存在即可证明电解液中发生了还原反应（次磷酸根与镍离子发生还原反应，产生亚磷酸根）。这一结果为协同沉积提供了直接的强有力的证据。
纯Ni薄膜（上）和图案化Ni-P合金薄膜（下）的生长示意图
该研究工作还表征了沉积薄膜的疏水性能，该薄膜具有超疏水低接触角滞后等优异的性能。结合镍合金本身良好的防腐蚀性能，这一图案化薄膜在防腐方面具有应用价值的潜力。同时，图案化形貌的存在，不利于微生物在表面的吸附，也可以应用于防污领域。
该研究工作发表于美国化学会杂志ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (2), pp 1053–1060。工作得到了国家自然科学基金(No. 51105356, 51335010)的资助，以及浙江省创新团队(No. 2011R50006)和宁波市创新团队(No. 2011B31023)的支持。