与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽及电镀
阅读说明：本技术 与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽及电镀 (Electroplating bath and electroplating suitable for preparing micro-nano motor by template auxiliary method ) 是由 王莹 逯浩 李钟昊 李贞� 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽及电镀方法,所述电镀槽包括底座、反应器和弹性密封圈,所述反应器设置在底座上,所述反应器的中部贯穿开设有用于盛放电镀液的腔室,所述腔室的顶部开放,所述弹性密封圈沿周向设置在腔室的底部。电镀方法具体为：取表面镀有金的聚碳酸酯模板放置在通孔中,在反应器中加入电镀液,之后固定参比电极、对电极和工作电极并分别与电化学工作站相连接,工作电极和聚碳酸酯模板相接触,启动电化学工作站进行电镀沉积,重复多次直至电镀完成,得到微纳米马达。与现有技术相比,本发明可以连续进行多次电镀,为多次沉积材料提供了选择。(The invention relates to a plating bath and a plating method suitable for preparing a micro-nano motor by adopting a template-assisted method. The electroplating method comprises the following specific steps: placing the polycarbonate template with the gold-plated surface in the through hole, adding electroplating solution into the reactor, fixing the reference electrode, the counter electrode and the working electrode and respectively connecting the reference electrode, the counter electrode and the working electrode with the electrochemical workstation, enabling the working electrode to be in contact with the polycarbonate template, starting the electrochemical workstation to perform electroplating deposition, and repeating the steps for multiple times until the electroplating is completed to obtain the micro-nano motor. Compared with the prior art, the invention can continuously carry out multiple times of electroplating and provides a choice for depositing materials for multiple times.)
技术领域
本发明属于纳米材料的制备领域，具体涉及一种与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽及电镀方法。
背景技术
微纳米马达是指能够将化学能、光能、声能或其他形式的能转化为机械运动并完成复杂任务的微纳米颗粒，由于在功能上与传统意义上的马达类似，所以它们通常被称为微纳米马达。微纳米马达与其他微纳米尺度上只做布朗运动的胶体颗粒不同，它能通过能量之间的转化实现机械运动的目的，因此微纳米马达因其独特的运动特性以及尺寸上的优势在药物运输、生物传感、细胞分离、环境治理等方面有着非常瞩目的应用前景。
目前关于微纳米马达的制备方式有卷曲法、溶液刻蚀法、干法释放法和模板辅助法。在管状微马达的制备中，模板辅助法以简单高效、批量生产的模式深受人们欢迎，但模板辅助法需要将电化学工作站与电解液相结合起来，才能完成工作，而电镀槽成为连接两者的桥梁。之前的电镀槽多为全密闭的环境，每一次的电镀结束后都要拆开清洗重新组装。
专利CN102808201A公开了一种组装式全塑整体电解槽，包括一槽体，体包括一底座、电解槽内胆和复数个隔墙，复数个隔墙设置在底座上，组装成一内胆框，电解槽内胆设置在内胆框内，且上部开口。上述专利适用于工业中大型的电化学沉积，可以进行一系列的沉积过程，而本发明的适用范围仅限于模板辅助法制备管状微马达中，优势在于操作简单，可以连续进行电沉积，每次电沉积之后可以很简便的进行清洗，能将聚碳酸酯模板固定在电镀槽的内部，使沉积过程更加的稳定。
发明内容
本发明的目的就是提供一种与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽，所述电镀槽包括底座、反应器和弹性密封圈，所述反应器设置在底座上，所述反应器的中部贯穿开设有用于盛放电镀液的腔室，所述腔室的顶部开放，所述弹性密封圈沿周向设置在腔室的底部。该电镀槽采用半封闭式的结构，即底座为实心的，反应器为镂空的，在工作时，需将电镀液加入到反应器中，弹性密封圈可防止电镀液的流出。
所述反应器的边角处贯穿设有多个连接孔，所述底座上贯穿设有与连接孔相适配的定位孔，所述电镀槽还包括螺丝和蝶形螺母，所述螺丝自下而上插设在定位孔和连接孔中，所述蝶形螺母设置在螺丝的顶部。
所述腔室呈台阶状，自上而下依次分为上腔室和下腔室，所述上腔室的内径小于下腔室的内径，所述弹性密封圈位于下腔室中。
所述下腔室的深度小于弹性密封圈的厚度，以便弹性密封圈能和反应器及底座过盈接触，保证密闭性。
当上腔室的内径为20mm时，所述下腔室的内径为26mm；
所述弹性密封圈的厚度为2mm时，所述下腔室的深度为1.5mm。
腔室的内径和模板辅助法所使用的聚碳酸酯模板的大小有关，反应器容纳电镀液的最大容积为16ml，一般在电沉积过程中定量倒入10ml的溶液。
所述底座采用聚四氟乙烯材质。
所述底座呈长方体状，尺寸为40*40*15mm。
所述反应器采用聚四氟乙烯材质。
所述反应器呈长方体状，尺寸为40*40*30mm。
所述底座和反应器接触的面尺寸相同，底座和反应器的高度根据情况进行设置。
所述腔室中还设有支架，在进行电镀时，该支架用于固定参比电极、对电极或工作电极，所述支架采用一般常见的微型支架即可。
本发明的另一个目的就是提供一种基于电镀槽制备微纳米马达的电镀方法，所述电镀方法具体为：取表面镀有金的聚碳酸酯模板放置在腔室的底部，在反应器的腔室中加入电镀液，之后固定参比电极、对电极和工作电极(三者的位置可根据情况进行放置)，并使参比电极、对电极和工作电极插入到电镀液中，所述参比电极、对电极和工作电极分别与电化学工作站相连接，所述工作电极和聚碳酸酯模板相接触，启动电化学工作站进行电镀沉积，一次电镀完成之后，倒出电镀液，再加入新的电镀液进行第二次电镀，重复多次直至电镀完成，得到微纳米马达。聚碳酸酯模板上镀金是为了在电化学沉积中充当导电层。在制备微纳米马达过程中，所采用的模板类似于多孔培养皿，即模板内部存在孔道，热蒸发镀金是镀在模板的表面上，而电沉积是通过电离出离子重新在模板的孔道的孔壁上组合形成物质，每个孔道内类似于夹心饼干，干燥后让微纳米马达生长完全，去除导电层后用二氯甲烷溶解模板，只剩下一个个分散的管状微纳米马达。
所述参比电极采用AgCl，与电化学工作站的白线相连接，所述对电极采用铂(采用铂丝)，与电化学工作站的红线相连接，所述工作电极采用铜或铝(采用宽为25mm的铜箔或铝箔)，与电化学工作站的绿线相连接。
所述电镀液包含浓度为0.01mol/l的氯铂酸和浓度为0.5mol/l的硫酸；
或所述电镀液包含浓度为0.5mol/l的硫酸钠、浓度为0.1mol/l的硫酸和浓度为5mol/l的石墨烯；
或所述电镀液包含浓度为160g/L的硫酸铜和浓度为20g/L的硼酸；
或所述电镀液包含浓度为20g/L的NiCl2·6H2O、浓度为515g/L的Ni(H2NSO3)2·4H2O和浓度为20g/L的H3BO3；
或所述电镀液包含浓度为0.5mol/l的硫酸钠、浓度为0.1mol/l的硫酸和浓度为0.1mol/l的苯胺；
或所述电镀液包含浓度为0.1mol/l的醋酸锰和浓度为0.1mol/l的硫酸钠；
或所述电镀液包含0.02mol/l的硝酸银和浓度为0.02mol/l的硼酸；
或所述电镀液包含浓度为0.01mol/l的氯酸金和浓度为0.01mol/l的硼酸。
当在聚碳酸酯模板的表面沉积金属或石墨烯时，采用恒电流法即chron进行电镀沉积，沉积条件为：电流为2mA，沉积时间为200-400s，灵敏度为1e-001，所述金属选自Pt、Au、Ag或Cu中的一种或多种。
当在聚碳酸酯模板的表面沉积金属氧化物时，采用恒电位法即i-t进行电镀沉积，沉积条件为：电压为1V，沉积时间为1000s，灵敏度为1e-001，使用电荷量为20C作为控制量，所述金属氧化物可采用MnO2。
当在聚碳酸酯模板的表面沉积非金属硫化物时，采用动点位法进行电镀沉积，沉积条件为：最高电压0.3V，最低电压-1.5V，循环速率为0.05V/s，循环周期为10，灵敏度为1e-001，沉积时间为65s，所述非金属硫化物选自WS2或MoS2中的一种或多种；时间的长短由循环速率决定，在0.01V/s的循环速率下沉积时间在330s左右。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)使用本发明的电镀槽可以连续进行多次电镀，得到多层结构微纳米马达，该电镀槽结构简单，造价便宜，结实耐腐蚀，为多次沉积材料提供了选择。
(2)本发明以聚碳酸酯模板为载体，通过电化学工作站去控制沉积的电压和时间，在三电极连接电镀槽中沉积多层纳米管材料，操作方便。
(3)本发明在每次电沉积过后能够及时的进行清洗，然后继续下一种材料的沉积，操作简便。
附图说明
图1为电镀槽靠近侧边位置处的剖视图；
图2为电镀槽靠近中部位置处的剖视图；
图3为电镀槽在俯视角度的剖视图；
图4为底座的立体图；
图5为反应器的立体图；
图6为制备得到的微纳米马达的示意图；
图7-9依次为实施例2得到的银、金、石墨烯的沉积成果；
图10为实施例3得到的二氧化锰的沉积成果；
图11为实施例4得到的[email protected]2微纳米马达的沉积成果。
图中：1-底座；101-定位孔；2-反应器；201-上腔室；202-下腔室；203-连接孔；3-弹性密封圈；4-螺丝；5-蝶形螺母；6-垫片；7-功能层；8-引导层；9-催化层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1、2、3、4、5所示，一种与采用模板辅助法制备微纳米马达相适用的电镀槽，包括底座1、反应器2、弹性密封圈3、螺丝4和蝶形螺母5，反应器2设置在底座1上，反应器2的边角处贯穿设有多个连接孔203，底座1上贯穿设有与连接孔203相适配的定位孔101，螺丝4(采用长径)插设在连接孔203和定位孔101中，蝶形螺母5设置在螺丝4的端部(本实施例中蝶形螺母设置在底部，蝶形螺母5和底座之间设有垫片6，螺丝的头部和反应器之间也设有垫片6)，反应器2的中部贯穿开设有用于盛放电镀液的腔室，腔室的顶部开放，腔室呈台阶状，自上而下依次分为上腔室201和下腔室202，上腔室201的内径小于下腔室202的内径，弹性密封圈3沿周向位于下腔室202中，下腔室202的深度小于弹性密封圈3的厚度，腔室中还可设置支架(图中省略)。其中，底座1和反应器2均采用聚四氟乙烯材质，底座呈长方体状，尺寸为40*40*15mm，反应器呈长方体状，尺寸为40*40*30mm，弹性密封圈3采用橡胶材质，上腔室201的内径为20mm，下腔室202的内径为26mm，弹性密封圈3的厚度为2mm，下腔室的深度为1.5mm。
本实施例还提供一种基于电镀槽制备微纳米马达的电镀方法，所述电镀方法具体为：取表面镀有金的聚碳酸酯模板放置在腔室的底部，在反应器的腔室中加入电镀液，之后在支架上固定参比电极、对电极和工作电极，并使参比电极、对电极和工作电极插入到电镀液中，参比电极、对电极和工作电极分别与电化学工作站相连接，参比电极采用AgCl，与电化学工作站的白线相连接，对电极采用铂(采用铂丝)，与电化学工作站的红线相连接，工作电极采用铜或铝(采用宽为25mm的铜箔或铝箔)，与电化学工作站的绿线相连接，工作电极和聚碳酸酯模板相接触，启动电化学工作站进行电镀沉积，一次电镀完成之后，倒出电镀液，再加入新的电镀液进行第二次电镀，重复多次直至电镀完成，得到微纳米马达，微纳米马达的结构如图6所示，自外向内依次为功能层、引导层和催化层，每一层的实际组成与电镀液的选择有关。
电镀液的组成如表1所示。
表1各电镀液的组成一览表
表中的“质量g/体积ml”是指或者按质量称取或者按体积称取。
实施例2
当在聚碳酸酯模板的表面沉积金属时，采用恒电流法进行电镀沉积，沉积条件为：电流为2mA，沉积时间为200-400s，灵敏度为1e-001，金属选自Pt、Au、Ag或Cu中的一种或多种，图7、8、9为具体的沉积成果，其中图7是采用硝酸银沉积得到的，图8是采用氯酸金沉积得到的，图9是采用石墨烯沉积得到的。
实施例3
当在聚碳酸酯模板的表面沉积非金属氧化物或金属氧化物时，采用恒电位法进行电镀沉积，沉积条件为：电压为1V，沉积时间为1000s，灵敏度为1e-001，使用电荷量为20C作为控制量，金属氧化物可采用MnO2中的一种或多种，图10为具体的沉积成果，其中图10是采用醋酸猛沉积得到的。
实施例4
当在聚碳酸酯模板的表面沉积非金属硫化物时，采用动点位法进行电镀沉积，沉积条件为：最高电压0.3V，最低电压-1.5V，循环速率为0.05V/s，循环周期为10，灵敏度为1e-001，沉积时间为65s，非金属硫化物选自WS2或MoS2中的一种或多种；时间的长短由循环速率决定，在0.01V/s的循环速率下沉积时间在330s左右，图11为具体的沉积成果，其中图11是采用氯酸金和醋酸猛先后沉积得到的[email protected]2。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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