专利名称：一种水相软模板法制备粒径可控Cu<sub>2</sub>O或CuO中空亚微球的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过水相软模板法制备粒径可控、粒径窄分布的Cu20中空 亚微球，或进一步通过程序升温对其焙烧制备CuO中空亚微球的方法，属于无 机功能材料的制备技术领域。
技术背景氧化亚铜(Qi20)是一种P型半导体，禁带宽度仅为2.2eV，具有特殊的光学、 光电和催化性能，在传感器、催化剂、电子元件、防污涂层、电极材料以及着 色剂等领域都有着广泛的应用。CiiO作为一种重要的无机材料在催化、超导、陶 瓷等领域中有广泛的应用。它可用作催化剂或催化剂载体以及电极活性材料， 还可作为火箭推进剂的燃速催化剂。与宏观材料相比，微/纳米材料具有优异的理化学特性，在生物、光学、传 感器、半导体、微电子以及催化等诸多领域都有很大的应用价值。具有新颖拓 扑结构的无机氧化物中空微/纳米球具有密度低、热和力学稳定性高等特性，可 以用做轻质填料、高选择性催化剂或催化剂载体，药物、染料、化妆品的缓释、 控释材料，而且在医疗器械、生物诊断等方面也具有极其重要的价值。在诸多制备方法中，液相化学还原法因具有工艺简单、成本低廉、过程易 控等优点而较为常用。但单一的表面活性剂体系或大分子体系，在反应过程中 仅起到稳定剂、分散剂的作用，存在聚集体形态变化模式有限、结构可控性差 等缺陷。本专利部分发明人前期已申请了关于"水相团簇软模板法制备单分散 氧化亚铜中空亚微球"的中国发明专利并已公开(CN 101041456A)，与本发明 得到粒径更小(150-350nm)的Qi2O中空亚微球相比，专利CN 101041456A采用较 低的铜盐浓度和较低的还原剂水合肼浓度，得到粒径较大(400-550nm)的Cu20中 空亚微球。 发明内容本发明目的在于提供一种水相软模板一锅法快速制备粒径可控、粒径窄分布的Cu20或CuO中空亚微球的方法。该法利用十二垸基硫酸钠和聚乙烯吡 咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板，通过简单的还原反应将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布的0120中空亚微球；或进一步通过程序升温焙烧可以使Cu20中空亚微球氧化得到粒径及粒径分布相似的CuO中空亚微球。本发明的技术方案 一种水相软模板法制备粒径可控Cu20或CuO中空亚微球的方法，用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板，将铜盐水溶液加入到所述软团簇水溶液中，调节混合溶液的pH值后使用 水合肼作还原剂，将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布 的Cu20中空亚微球；或进一步通过程序升温焙烧使Cu20中空亚微球氧化得到 粒径及粒径分布与Cu20中空亚微球相似的CuO中空亚微球；工艺为1) 将一定量的十二垸基硫酸钠SDS和聚乙烯吡咯烷酮PVP加到去离子水 中，加热至40-60 °C使其充分溶解并组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与铜 盐水溶液混合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为铜离子10-30 mmol/L， SDS 5-50 mmol/L， PVP 1-10 g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH范围为8-12;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 10-30，混合均匀后在40 -60 °C的条件下反应50-80 min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，离心分离得到的 沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤，经电镜表征为具有粒径窄分布、平均粒径 在150-350 nm可控的Cu20中空亚微球；或4)进一步将步骤3)得到的Cu20中空亚微球从室温开始经1 °C/min程序 升温至300°C后，再快速升温至500°C并焙烧1-5 h至恒重，得到粒径及粒径分 布与所述Cu20中空亚微球相似的CuO中空亚微球。所用的铜盐为硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜或氯化铜。本发明的有益效果本发明利用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的 项链状软物质团簇为模板，水合肼为还原剂一锅法快速将铜盐还原并组装成平 均粒径在150-350 nm范围内可控的、粒径窄分布的的Cu20中空亚微球，在制 备过程中，该软团簇模板可以调控产品的粒径分布，得到具有粒径窄分布的0120中空亚微球，工艺简单，得到的CU20中空亚微球粒径小、形貌均一。通过程序升温焙烧该Cu20中空亚微球制备得到粒径及粒径分布相似的CuO中空亚微球。 本发明制备的Cu20、 CuO中空亚微球是由粒径约为8-14 nm的原级Cu20、CuO纳米晶粒组装而成。本发明制备的产物粒径小、粒径分布窄且可控性好，制备工艺简单，常温 常压反应温和， 一锅法合成易于操作和重复，成本低，便于工业化生产。
图1实施例1制备的Cu20中空亚微球的X射线衍射图。 图2实施例1制备的Cu20中空亚微球的透射电镜图。 图3实施例l制备的CuO中空亚微球的X射线衍射图。 图4实施例1制备的CuO中空亚微球的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例11) 将一定量的十二垸基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中，加热至 40 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为硫酸铜20 mmol/L， SDS 45 mmol/L，PVP 10g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为12;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 20，混合均匀后在50 °C 的恒温水浴中反应55min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4) 将步骤3)中经离心分离得到的Cu20中空亚微球从室温开始经1 。C/min 程序升温至300°C后，再快速升温至500°C并焙烧1-5 h至恒重，得到粒径及粒 径分布与Cu20中空亚微球相似的CuO中空亚微球。图1和图2分别是实施例1制备的Cu20中空亚微球的X射线衍射图和透 射电镜图，Cu20中空亚微球的平均粒径为180 nm;图3和图4分别是实施例1 制备的CuO中空亚微球的X射线衍射图和扫描电镜图，CuO中空亚微球的平均 粒径为200 nm。实施例21)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯垸酮加到去离子水中，加热至 45 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与硝酸铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为硝酸铜15 mmol/L， SDS 25 mmol/L，PVP 10 g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为11;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 15，混合均匀后在50 °C 的恒温水浴中反应55min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4) 将步骤3)中得到的Cu20中空亚微球从室温开始经l。C/min程序升温至 300°<:后，再快速升温至500。C并焙烧l-5h至恒重。所得Cu20中空亚微球的 平均粒径为200 nm， CuO中空亚微球的平均粒径为220 nm。实施例31) 将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中，加热至 55 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与醋酸铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为醋酸铜15mmol/L， SDS 9mmol/L，PVP8g/L;2) 用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为11;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 15，混合均匀后在40 °C 的恒温水浴中反应65min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4) 将步骤3)中得到的Qi20中空亚微球从室温开始经l。C/min程序升温至 300T后，再快速升温至500。C并焙烧l-5h至恒重。所得0!20中空亚微球的 平均粒径为220 nm， CuO中空亚微球的平均粒径为235 nm。实施例41) 将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中，加热至 40 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与氯化铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为氯化铜10mmol/L， SDS9mmol/L，PVP4g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为10;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 15，混合均匀后在40 。C 的恒温水浴中反应70min，得到橙黄色CU20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4)将步骤3)中得到的Qi20中空亚微球从室温开始经l。C/min程序升温至 300。C后，再快速升温至500。C并焙烧l-5h至恒重。所得0i20中空亚微球的 平均粒径为240 nm， CuO中空亚微球的平均粒径为265 nm。实施例51) 将一定量的十二垸基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中，加热至 40 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为硫酸铜10mmol/L， SDS 5 mmol/L，PVP2g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为9;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 10，混合均匀后在40 °C 的恒温水浴中反应75min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4) 将步骤3)中得到的Cu20中空亚微球从室温开始经l。C/min程序升温至 300。C后，再快速升温至500。C并焙烧l-5h至恒重。所得Cii20中空亚微球的 平均粒径为265 nm， CuO中空亚微球的平均粒径为290 nm。实施例61) 将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯垸酮加到去离子水中，加热至 40 °C使其充分溶解并自组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混 合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为硫酸铜25 mmol/L， SDS 45mmol/L，PVP 10g/L;2) 用2.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤l)得到的混合溶液的pH值为12;3) 在搅拌条件下将质量浓度为50 %的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的 混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1 : 25，混合均匀后在55。C 的恒温水浴中反应55min，得到橙黄色Cu20胶体溶液，经离心分离后得到沉淀 物，沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu20中空亚微球；4)将步骤3)中得到的Cu20中空亚微球从室温开始经1 °C/min程序升温至300 °C后，再快速升温至500°C并焙烧1-5 h至恒重。所得Cu20中空亚微球的平均 粒径为155 nm，CuO中空亚微球的平均粒径为180 nm。
权利要求
1.一种水相软模板法制备粒径可控Cu2O或CuO中空亚微球的方法，其特征是利用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板，将铜盐水溶液加入到所述软团簇水溶液中，调节混合溶液的pH值后使用水合肼作还原剂，将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布的Cu2O中空亚微球；或进一步通过程序升温焙烧使Cu2O中空亚微球氧化得到粒径及粒径分布与Cu2O中空亚微球相似的CuO中空亚微球；工艺为1)将一定量的十二烷基硫酸钠SDS和聚乙烯吡咯烷酮PVP加到去离子水中，加热至40-60℃使其充分溶解并组装成软团簇，待溶液冷却至室温后与铜盐水溶液混合，使得溶液中各组分最终浓度范围分别为铜离子10-30mmol/L，SDS 5-50mmol/L，PVP 1-10g/L；2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH范围为8-12；3)在搅拌条件下将质量浓度为50％的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中，使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶10-30，混合均匀后在40-60℃的条件下反应50-80min，得到橙黄色Cu2O胶体溶液，离心分离得到的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤，经电镜表征为具有粒径窄分布、平均粒径在150-350nm可控的Cu2O中空亚微球；或4)进一步将步骤3)得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后，再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重，得到粒径及粒径分布与所述Cu2O中空亚微球相似的CuO中空亚微球。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所用的铜盐为硫酸铜、硝酸铜、 醋酸铜或氯化铜。
全文摘要
一种水相软模板法制备粒径可控Cu<sub>2</sub>O或CuO中空亚微球的方法，属于无机功能材料的制备技术领域。本发明利用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板，将铜盐水溶液加入到所述软团簇水溶液中，调节混合溶液的pH值后使用水合肼作还原剂，将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布的Cu<sub>2</sub>O中空亚微球；或进一步通过程序升温焙烧使Cu<sub>2</sub>O中空亚微球氧化得到粒径及粒径分布与所述Cu<sub>2</sub>O中空亚微球相似的CuO中空亚微球。本发明的特点是产物Cu<sub>2</sub>O或CuO中空亚微球粒径小、粒径分布窄且可控性好，制备工艺简单，常温常压反应温和，一锅合成易于操作和重复，成本低，便于工业化生产。
文档编号C01G3/02GK101332999SQ20081002152
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者任月萍, 夏咏梅, 云 方, 瑾 胡 申请人:江南大学