一种氧化铜纳米材料的制备方法与流程

本发明属于功能材料的制备技术领域，具体地说是涉及一种氧化铜纳米材料的制备方法。

背景技术：
氧化铜（CuO）是一种铜的黑色氧化物，略显两性，稍有吸湿性。氧化铜主要用于制人造丝、陶瓷、釉及搪瓷、电池、石油脱硫剂、杀虫剂，也供制氢、催化剂、绿色玻璃等用。纳米氧化铜具有抗菌杀菌功能。纳米氧化铜对肺炎杆菌、绿脓杆菌等具有良好的抑菌能力。研究表明，在大于带宽能量的光激发下，纳米氧化铜与氧或者水能与光生空穴-电子对作用产生活性氧等自由基，这些自由基与细胞中的有机物质发生化学反应使细胞分解而达到杀菌抗菌的效果。新型纳米氧化铜的性质不同于常规的氧化铜，例如氧化铜纳米颗粒、氧化铜纳米棒、氧化铜纳米片和氧化铜纳米梭具有新颖的形貌和结构，从而带来性质的不同和应用场合的不同。纳米氧化铜的常规制备方法包括溶剂热法、热解法、微波法和磁控溅射法等。新型纳米氧化铜具有优异的物理和化学性质，在众多领域里显示出广阔的应用前景，如应用于生物医药、传感器和催化材料等领域。制备新型氧化铜纳米材料及其应用研究已经成为纳米材料领域的研究前沿和热点之一。

技术实现要素：
本发明旨在提供一种制备成本低，易于操作控制，反应温度低,目的产物收率高，均一性好，且具有较高催化活性的氧化铜纳米材料的制备方法。通过多组对比试验，发现草酸在制备工艺中起着重要作用。所制备的氧化铜纳米材料，具有良好的光催化性能，光催化降解染料的工艺条件下，60分钟降解率达到了98%以上。本发明制备方法同样可以应用于其它功能材料的化学合成研究，且具有广阔的应用前景。为达到上述目的，本发明是这样实现的。一种氧化铜纳米材料的制备方法，向草酸水溶液中滴加可溶性铜盐水溶液，在恒温并且搅拌条件下反应直到前驱物沉淀生成，反应结束后，再经过滤、水洗、干燥和煅烧后即得目的产物。作为一种优选方案，本发明所述草酸水溶液的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；所述可溶性铜盐为硝酸铜或乙酸铜的一种或其混合物，其摩尔浓度为0.01～0.25mol/L；铜盐和草酸的摩尔比为1:5～50。进一步地，本发明所述滴加速度为60～180滴/分钟；所述恒温温度在20～30℃；所述搅拌速度在100～150转/分钟；所述搅拌条件下的反应时间为10～30分钟。进一步地，本发明所述干燥时间为1～3小时，干燥温度为60～100℃，升温速率为2～10℃/分钟。更进一步地，本发明所述煅烧时间为2～5小时，煅烧温度为300～400℃，升温速率为2～20℃/分钟。与现有技术相比，本发明具有如下特点。（1）本发明开发了制备氧化铜纳米材料新工艺路线，产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子。氧化铜纳米粒子的尺寸在50～100nm之间。该工艺制备成本低，操作容易控制，具有较高的生产效率，可以实现工业化大量生产。（2）目的产物收率（99.2%～99.6%），产品纯度高（99.5％～99.8％）可满足工业应用领域对可见光催化材料的要求。（3）本发明制备的目的产物氧化铜纳米材料是可见光催化材料，60分钟降解率可达到（98.0％～99.5％），具有较高的催化活性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。图1为本发明的氧化铜纳米材料SEM图。图2为本发明的氧化铜纳米材料SEM图。图3为本发明的氧化铜纳米材料SEM图。图4为本发明的氧化铜纳米材料SEM图。图5为本发明的氧化铜纳米材料X射线衍射图。图6为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的红外光谱图。图7为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的SEM图。图8为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的热重分析图。具体实施方式本发明设计出一种化学制备方法，通过新的化学途径制备氧化铜纳米材料，其光催化性质可以通过光催化降解典型的染料甲基橙进行评估。该方法系向草酸水溶液中滴加可溶性铜盐水溶液，在恒温并且搅拌的条件下反应直到前驱物沉淀生成，过滤、水洗、干燥和煅烧后即得目的产物。本发明制备步骤是。（1）向草酸水溶液中滴加可溶性铜盐水溶液，草酸水溶液的摩尔浓度为0.1～1.0mol/L；可溶性铜盐为硝酸铜或乙酸酸铜的一种或其混合物，其摩尔浓度为0.01～0.25mol/L；铜盐和草酸的摩尔比为1:5～50；滴加溶液的速度为60～180滴/分钟。（2）将得到混和溶液在恒温并且搅拌的条件下反应直到前驱物沉淀生成，恒温温度在20～30℃；搅拌速度在100～150转/分钟；搅拌反应时间为10～30分钟。（3）将生成的前驱物沉淀过滤干燥后，再进行煅烧，干燥时间为1～3小时，干燥温度为60～100℃，升温速率为2～10℃/分钟；煅烧时间为2～5小时，煅烧温度为300～400℃，升温速率为2～20℃/分钟。（4）利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度变化。参见图1～4所示，为本发明的氧化铜纳米材料SEM图，可以看出产物是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在50～100nm之间。图5为本发明的氧化铜纳米材料X射线衍射图，PDF卡号为：48-1548。图6为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的红外光谱图。图7为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的SEM图。图8为本发明的氧化铜纳米材料前驱物的热重分析图。实施例1。将硝酸铜和草酸分别配成水溶液，在20℃并且搅拌速度为100转/分钟的条件下，把硝酸铜水溶液滴加到草酸水溶液。硝酸铜水溶液的摩尔浓度为0.05mol/L，草酸水溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。硝酸铜和草酸的摩尔比为1：10。滴加硝酸铜水溶液的速度为180滴/分钟,搅拌条件下的反应时间为10分钟，反应结束后，过滤水洗后干燥，干燥时间为3小时，干燥温度为80℃，升温速率为10℃/分钟。接续在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h，升温速率为10℃/分钟。自然冷却后，即得到目的产物。产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在50～80nm之间。其产品的收率为99.2%。产品纯度99.5%，杂质含量：碳小于0.5%。利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度，计算降解率。在光催化评价催化活性的试验中，60分钟的降解率为98.0%。实施例2。将乙酸铜和草酸分别配成水溶液，在20℃并且搅拌速度为100转/分钟的条件下，把乙酸铜水溶液滴加到草酸水溶液。乙酸铜水溶液的摩尔浓度为0.1mol/L，草酸水溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。乙酸铜和草酸的摩尔比为1：20。滴加乙酸铜水溶液的速度为180滴/分钟,搅拌条件下的反应时间为10分钟，反应结束后，过滤水洗后干燥，干燥时间为3小时，干燥温度为80℃，升温速率为10℃/分钟。接续在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h，升温速率为10℃/分钟。自然冷却后，即得到目的产物。产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在50～70nm之间。其产品的收率为99.5%。产品纯度99.7%，杂质含量：碳小于0.3%。利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度，计算降解率。在光催化评价催化活性的试验中，60分钟的降解率为99.1%。实施例3。将乙酸铜和草酸分别配成水溶液，在20℃并且搅拌速度为100转/分钟的条件下，把乙酸铜水溶液滴加到草酸水溶液。乙酸铜水溶液的摩尔浓度为0.1mol/L，草酸水溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。乙酸铜和草酸的摩尔比为1：20。滴加乙酸铜水溶液的速度为60滴/分钟,搅拌条件下的反应时间为10分钟，反应结束后，过滤水洗后干燥，干燥时间为3小时，干燥温度为80℃，升温速率为10℃/分钟。接续在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为300℃，煅烧时间为5h，升温速率为20℃/分钟。自然冷却后，即得到目的产物。产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在80～100nm之间。其产品的收率为99.6%。产品纯度99.5%，杂质含量：碳小于0.5%。利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度，计算降解率。在光催化评价催化活性的试验中，60分钟的降解率为99.0%。实施例4。将硝酸铜和草酸分别配成水溶液，在20℃并且搅拌速度为100转/分钟的条件下，把硝酸铜水溶液滴加到草酸水溶液。硝酸铜水溶液的摩尔浓度为0.1mol/L，草酸水溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。硝酸铜和草酸的摩尔比为1：50。滴加硝酸铜水溶液的速度为60滴/分钟,搅拌条件下的反应时间为20分钟，反应结束后，过滤水洗后干燥，干燥时间为3小时，干燥温度为60℃，升温速率为10℃/分钟。接续在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为3h，升温速率为10℃/分钟。自然冷却后，即得到目的产物。产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在60～80nm之间。其产品的收率为99.3%。产品纯度99.7%，杂质含量：碳小于0.3%。利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度，计算降解率。在光催化评价催化活性的试验中，60分钟的降解率为98.9%。实施例5。将乙酸铜和草酸分别配成水溶液，在30℃并且搅拌速度为150转/分钟的条件下，把乙酸铜水溶液滴加到草酸水溶液。乙酸铜水溶液的摩尔浓度为0.2mol/L，草酸水溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。乙酸铜和草酸的摩尔比为1：10。滴加乙酸铜水溶液的速度为60滴/分钟,搅拌条件下的反应时间为30分钟，反应结束后，过滤水洗后干燥，干燥时间为2小时，干燥温度为60℃，升温速率为10℃/分钟。接续在马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为5h，升温速率为10℃/分钟。自然冷却后，即得到目的产物。产品是分布均匀的氧化铜纳米粒子，氧化铜纳米粒子的尺寸在60～90nm之间。其产品的收率为99.5%。产品纯度99.7%，杂质含量：碳小于0.3%。利用所制备的氧化铜纳米材料作为光催化剂（0.2g/L），降解10mg/L的甲基橙溶液。光催化实验中所用光源为300W氙灯。照射之前，含有催化材料的甲基橙溶液在黑暗中搅拌30分钟，达到吸附平衡后进行光照。用分光光度计测定甲基橙染料浓度，计算降解率。在光催化评价催化活性的试验中，60分钟的降解率为99.4%。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。