一种纳米球链状结构氧化铜及其制备方法与流程

本发明涉及一种纳米球链状结构氧化铜及其制备方法，属于纳米材料领域。

背景技术：

纳米氧化铜作为超导、陶瓷、催化、磁相转换等领域中的一种重要模型化合物，具有量子尺寸效应、表面效应、久保效应。常见纳米氧化铜制备方法有络合沉淀法、水解法、激光蒸凝法、室温固相法、醇热法、电化学法等，上述方法制得的CuO以零维球形粒子居多。由于CuO形貌和结构影响其特殊的物理和化学性质，新颖的一维及二维结构引起关注。二维片状结构氧化铜如菊花状、银莲花状、花椰球等，对异丙苯氧化表现出高效催化活性；一维结构如纺锤形、针状纳米CuO对高氯酸铵的热分解催化作用较强。相比一维及二维结构，零维球形CuO呈现明显的量子尺寸效应，因此零维颗粒结构CuO在应用中性能通常优于一维及二维结构。

然而零维超微颗粒CuO在应用过程中存在分散性差、易团聚、久置易形成致密团簇的现象。若直接对其表面进行改性或包覆易导致颗粒直径增大，氧化铜性能发挥受阻。此外，若采用微粒自组装成多维形貌的方法，所得的空心纳米球、珊瑚状等超晶格结构往往存在结构不单一，尺寸不均匀等缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种纳米球链状结构氧化铜及其制备方法，所得纳米球链状结构氧化铜既避免了团簇，又保留了小颗粒性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种纳米球链状结构氧化铜，由纳米级的球状颗粒顺次相连而成。

本申请纳米球链状结构氧化铜的链总长趋向一致，结构单一、大小均匀。本申请氧化铜的形貌为纳米球链状，既具备小颗粒的尺寸效应与优良的催化等性能，又兼得一维材料少团簇，易离心洗涤，常温稳定存放的特性，便于循环利用，区别于单纯的一维及二维表面平滑结构。

上述纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。纳米球链状结构氧化铜的长度为1-1.6μm。在确保小颗粒性能的同时避免了团簇。

上述纳米球链状结构氧化铜的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：

(1)底液配制：以CuCl₂·2H₂O或CuSO₄为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.1-0.3mol/L含铜离子的水溶液；配置浓度为1-4mol/L的碱溶液；

(2)合成反应：在1200-1600r/min转速的搅拌下，将含铜离子的水溶液逐滴滴加入碱溶液中，滴加时间为8-12min，其中，含铜离子的水溶液与碱溶液的体积比为(1:3)-(1:2)；

(3)洗涤干燥：将步骤(2)所得物料离心沉淀，并将沉淀用水洗涤至无氯离子为止，然后在60±5℃的温度下干燥1-3h，制得Cu(OH)₂粉末；

(4)退火：将步骤(3)所得Cu(OH)₂粉末，不通保护气体，以1-3℃/min升温速度，缓慢升温至300-400℃，煅烧1-2h，自然降温，即得纳米球链状结构氧化铜。

上述方法采用线棒状前驱体自上而下合成兼具零维颗粒结构与一维线状结构的CuO，有效避免了零维超微颗粒CuO、直接改性或包覆、微粒自组装等方法中存在的问题。所得纳米球链状结构氧化铜对甲醇具有良好电催化活性，可用于低浓度甲醇检测及甲醇废水降解。

碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

上述步骤(2)中是将含铜离子的水溶液逐滴滴加入碱溶液中，反之则无法得到纳米球链状结构氧化铜；步骤(3)中氯离子用硝酸银检测。

本申请制备中无需加入有机溶剂、表面活性剂或络合剂等，否则会影响其形貌。

本申请中退火工艺至关重要，是决定纳米球链状是否能形成的关键之一，只有在本申请所限定的条件下才能形成纳米球组成的链状；升温速率过快则一维形貌易坍塌，优选地，1-3℃/min的升温速度能确保形成颗粒明显的纳米球链状；本申请煅烧温度和时间也必须严格控制，温度过高或时间过长都会造成崩塌。

为了进一步保证所得产品的小颗粒性能，步骤(1)中，将含铜离子的水溶液和减溶液分别置于700W超声波清洗器中超声分散4-6min，对形成颗粒明显的链状有正向作用。

为了进一步保证所得产品的颗粒性，步骤(1)中，以CuCl₂·2H₂O为铜源。

申请人经研究发现，若步骤(2)直接将含铜离子的水溶液快速倾倒入碱溶液中，会导致颗粒粒径增大，最终所得样品颗粒状不明显。

为了进一步保证所得产品的纳米球链状形貌，步骤(2)中的滴加以先快后慢的速度进行：0-3分钟内以3滴/秒的速度滴加，4-6分钟内以2滴/秒的速度滴加，剩余时间以1滴/秒的速度滴加。

为了进一步保证所得产品的均匀性和小颗粒性：步骤(3)中离心前，将步骤(2)所得物料用尖端超声设备750W室温超声处理8-12min，控制温度为30℃以下。

为了进一步利于纳米球链状的形成，避免形貌的坍塌：步骤(4)为将步骤(3)所得Cu(OH)₂粉末置于管式加热炉中，不通保护气体，以1-3℃/min升温速度，缓慢升温至340-370℃，煅烧1-1.5h，以5-15℃/min的速度降至室温，即得纳米球链状结构氧化铜。

为了进一步提高产品的颗粒性和均匀性，步骤(4)中退火前先将Cu(OH)₂粉末进行如下包碳处理：将质量比为(5.5-6.5)：(90-110)：(6-7)：(3500-3900)的Cu(OH)₂粉末、葡萄糖、十六烷基三甲基溴化铵和水混匀，用超声波清洗器300W处理8-12min，再在160±2℃条件下反应15-20h，降至室温，然后以7000r/min的速度离心沉淀，所得沉淀用体积比为1:9的乙醇和水的混合液洗涤后，在60±2℃的条件下干燥5-7h。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

上述制备的氧化铜纳米链可应用于甲醇碱溶液电催化分解。

本发明纳米球链状结构氧化铜的制备过程中不需要添加有机溶剂、表面活性剂和螯合剂等，也无需加入成型模板等物质，后续洗涤便捷，产品纯度高，可控性强，重复性高，制备成本相对廉价；制备过程绿色环保，未使用任何的有毒有害的有机试剂；所得纳米球链状结构氧化铜的结晶度高达97％，结构单一、大小均匀；所得纳米球链状结构氧化铜的形貌为纳米球链状，该形貌既具备小颗粒的尺寸效应与优良的催化等性能，又兼得一维材料少团簇，易离心洗涤，常温稳定存放的特性，便于循环利用，区别于单纯的一维及二维表面平滑结构。

附图说明

图1是实施例1所得纳米链结构氧化铜的扫描电镜图。

图2是用德国布鲁克D8型X-Ray衍射仪测得的实施例1所得纳米链结构氧化铜的XRD谱图，以及JCPDS Card N0.45-0937信息。

图3是用CHI 760E电化学分析仪测得的甲醇催化循环伏安图，在0.6V电压处电流密度由低至高代表的曲线分别为：未负载材料的玻碳电极；纳米球链状氧化铜在1mol/L氢氧化钾溶液中；甲醇碱溶液中0.6V电压下催化稳定性测试1000s后；纳米氧化铜在含0.5mol/L甲醇的1mol/L氢氧化钾溶液中。

图4是纳米球链状氧化铜在1mol/L氢氧化钾溶液中，甲醇含量与电催化响应关系图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1:

(1)以CuCl₂·2H₂O为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.15mol/L水溶液50mL，置于700W超声波清洗器中超声分散5min；配置浓度为1.2mol/L的氢氧化钠溶液，置于700W超声波清洗器中超声分散5min；

(2)在1200r/min转速磁力搅拌下，将步骤(1)所配制的含铜离子的溶液匀速逐滴加入1.2mol/L的100mL氢氧化钠水溶液中，滴加时间为10min；

(3)离心收集沉淀，将沉淀用纯水清洗至无氯离子，然后在60℃鼓风干燥箱中干燥1h；

(4)将步骤(3)所得粉末置于管式加热炉中以1℃/min升温速度，缓慢升温至340℃，煅烧1.2h，自然降温，即得形貌为纳米球链状的氧化铜，长度为1-1.6μm，纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。

如图1所示，所制备的氧化铜形貌单一，呈纳米球连接而成的链状，产物颗粒直径尺寸分布在35-45nm，链长度在1-1.6μm，样品重复性良好，结构均一。

如图2所示，所得产物为CuO相结构(JCPDS Card N0.45-0937)，结晶度达96.90％(偏差±7.98％)。

甲醇电催化：将目标产物与粘结剂Nafion负载于玻碳电极上，利用三电极体系，对0.5mol/L甲醇碱溶液进行催化，结果如图3所示，0.6V电压下响应电流密度为76.54Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小9.56％。图4结果表明，电流密度与低浓度甲醇含量呈一定线性关系，3-5mol/L高浓度甲醇含量时电流密度趋向稳定。

实施例2:

(1)以CuSO₄为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.25mol/L水溶液40mL，以及浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，分别置于700W超声波清洗器中超声分散5min；

(2)在1400r/min转速磁力搅拌下，将步骤(1)所配制的含铜溶液匀速逐滴加入2.0mol/L的90mL氢氧化钠水溶液中，滴加时间为12min；

(3)离心收集沉淀，将沉淀用纯水清洗至无氯离子，然后在60℃鼓风干燥箱中干燥3h；

(4)将步骤(3)所得粉末置于管式加热炉中以3℃/min升温速度，缓慢升温至350℃，煅烧1h以10℃/min降至室温，即得形貌为纳米球链状的氧化铜，长度为1-1.6μm，纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。所得扫描电镜图与X-射线粉末衍射图与实施例1类似，故不重提供。

甲醇电催化：与实施例1基本相同，所不同的是0.6V电压下响应电流密度为72.33Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小11.51％。

实施例3:

(1)以CuCl₂·2H₂O为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.10mol/L水溶液50mL，以及浓度为3mol/L的氢氧化钾溶液，分别置于700W超声波清洗器中超声分散5min；

(2)在1500r/min转速磁力搅拌下，将步骤(1)所配制的含铜溶液匀速逐滴加入3.0mol/L的140mL氢氧化钾水溶液中，滴加时间为9min；

(3)离心收集沉淀，将沉淀用纯水清洗至无氯离子，然后在60℃鼓风干燥箱中干燥3h；

(4)将步骤(3)所得粉末置于管式加热炉中以2℃/min升温速度，缓慢升温至370℃，煅烧1.5h，以8℃/min降至室温即得形貌为纳米球链状的氧化铜，长度为1-1.6μm，纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。所得扫描电镜图与衍射图与实施例1类似，故不重提供。

甲醇电催化：与实施例1基本相同，所不同的是0.6V电压下响应电流密度为59.93Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小14.78％。

实施例4:

(1)以CuCl₂·2H₂O为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.12mol/L水溶液30mL，以及浓度为3.5mol/L的氢氧化钾溶液，分别置于700W超声波清洗器中超声分散5min；

(2)在1600r/min转速磁力搅拌下，将步骤(1)所配制的含铜溶液匀速逐滴加入3.5mol/L 85mL氢氧化钾水溶液中，滴加时间为8min；

(3)离心收集沉淀，将沉淀用纯水清洗至无氯离子，然后在60℃鼓风干燥箱中干燥3h；

(4)将步骤(3)所得粉末置于管式加热炉中以3℃/min升温速度，缓慢升温至350℃，煅烧1.4h，以15℃/min降至室温即得形貌为纳米球链状的氧化铜，长度为1-1.6μm，纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。所得扫描电镜图与衍射图与实施例1类似，故不重提供。

甲醇电催化：与实施例1基本相同，所不同的是0.6V电压下响应电流密度为65.89Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小11.08％。

实施例5:

(1)以CuSO₄为铜源，纯水为溶剂，配制Cu²⁺摩尔浓度为0.30mol/L水溶液45mL，以及浓度为2.5mol/L的氢氧化钾溶液，分别置于700W超声波清洗器中超声分散5min；

(2)在1300r/min转速磁力搅拌下，将步骤(1)所配制的含铜溶液逐滴加入2.5mol/L，130mL氢氧化钾水溶液中，滴加时间为12min；

(3)离心收集沉淀，将沉淀用纯水清洗至无氯离子，然后在60℃鼓风干燥箱中干燥2.5h；

(4)将步骤(3)所得粉末置于管式加热炉中以1℃/min升温速度，缓慢升温至380℃，煅烧1h，以10℃/min降至室温，即得形貌为纳米球链状的氧化铜，长度为1-1.6μm，纳米级的球状颗粒的直径为35-45nm。所得扫描电镜图与衍射图与实施例1类似，故不重提供。

甲醇电催化：与实施例1基本相同，所不同的是0.6V电压下响应电流密度为71.25Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小12.02％。

实施例6：

与实施例1基本相同，所不同的是：

步骤(2)中的滴加以先快后慢的速度进行：0-3分钟内以3滴/s的速度滴加，4-6分钟内以2滴/s的速度滴加，剩余时间以1滴/s的速度滴加；

步骤(3)中离心前，将步骤(2)所得物料用750W超声处理10min；

步骤(4)为将步骤(3)所得Cu(OH)₂粉末置于管式加热炉中，不通保护气体，以1℃/min升温速度，缓慢升温至340℃，煅烧1.2h，以10℃/min的速度降至室温，即得纳米球链状结构氧化铜。所得衍射图与实施例1类似，所得扫描电镜图与实施例1相比颗粒度更加明显。

甲醇电催化：0.6V电压下响应电流密度为78.29Ag^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小9.13％。

实施例7：

与实施例6基本相同，所不同的是：

步骤(4)中退火前先将Cu(OH)₂粉末进行如下包碳处理：将质量比为3：4：40：1890的Cu(OH)₂粉末、十六烷基三甲基溴化铵、葡萄糖与水混匀，用300W超声处理10min，再在160±2℃条件下反应16h，降至室温，然后以7000r/min的速度离心沉淀，所得沉淀用积比为1:9的乙醇和水的混合液洗涤后，在60±2℃的条件下干燥6h。将制得的铜碳复合物进行退火处理，所得衍射图与实施例1类似，所得扫描电镜图与实施例1相比颗粒度更加明显均匀。

甲醇电催化：0.6V电压下响应电流密度为76.80A g^-1，1000s稳定性测试后催化效率减小8.12％。

上述各例所得的纳米球链状结构氧化铜既具备小颗粒的尺寸效应与优良的催化等性能，又兼得一维材料少团簇，易离心洗涤，常温稳定存放的特性，便于循环利用，区别于单纯的一维及二维表面平滑结构。