[发明专利]大面积均匀分布的铜八面体纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备，尤其是特定形态的铜纳米颗粒的制备。

背景技术

近年来，由于金属纳米材料的奇特性能及其在等离激元、生物传感、催化、表面增强拉曼散射等领域广阔的应用前景而倍受人们关注。金属纳米材料的这些性质强烈依赖于它的形貌和尺寸，因此形貌、尺寸的可控性制备对探索其形貌、尺寸相关的物理化学性质及实际应用显得尤为重要。在过去几年里，纵多学者探索了金属纳米颗粒形貌控制的合成并取得了一系列可喜的成果。许多多面体金属(尤其是金属银、金和铂)纳米颗粒，如四面体、立方体、八面体、十面体、十二面体和二十面体等，已经被成功制得。然而，一些多面体金属纳米颗粒的制备似乎仍然无法实现。作为一种典型的过渡金属，铜由于其高导电性和良好的催化性能而被广泛研究。其中，纳米尺度的铜颗粒则是近年来人们关注的焦点。然而，目前有关铜纳米结构的研究大多是不规则形貌的铜纳米颗粒，八面体铜纳米颗粒的合成目前仍未见有报道。

值得一提的是，这些外形美丽的多面体金属纳米颗粒往往是由低表面能、低指数的晶面如{111}和/或{100}系列面所包围。由于晶体在某一晶向上的生长速度与其表面能成正比，晶体自然生长时各个晶向的生长速度差异比较小，国内外学者们往往通过借助添加剂来增大不同晶向生长的速度差，从而实现晶体的各向异性生长。在各种形貌控制的合成方法中，湿化学法由于具有较好的颗粒形貌和尺寸的选择性而被普遍使用。但是，它往往还需要特殊的试剂或工艺、费时和多步的程序才能将这些溶液中形成的“完美”纳米多面体分散并组装到基体的表面，从而满足一些特殊的应用。另一方面，电沉积法由于其反应驱动力的可调性(通过调节作用在电极表面的电压)也是一种非常具有吸引力的制备多面体纳米颗粒的方法。它不仅简单、成本低，而且金属纳米颗粒形貌、尺寸控制的合成及其在基体表面的组装(如分散密度的控制)能够在很短的时间内同时得到实现。然而，到目前为止，用电沉积法制备的多面体纳米颗粒具有相对较差的单分散性和低的产率。因此，不用任何形貌控制剂，将晶体生长的精确形貌选择性和电沉积的直接性结合起来，大规模地选择性合成单分散的金属多面体纳米颗粒目前仍是一个技术性的挑战。

金属多面体纳米颗粒在电极材料、生物传感器、纳米器件和催化剂等领域具有广阔应用前景，尤其是担载型均匀分布的铜八面体纳米颗粒有着一些特殊的应用。目前还没有专门的制备方法，尤其是在不需要任何添加剂和电极表面修饰的情况下，一步实现大面积担载型铜八面体纳米颗粒的制备及其尺寸和分布密度的有效控制。

发明内容

本发明的目的是，提出一种制备大面积均匀分布的铜八面体纳米颗粒的方法，一步实现铜八面体纳米颗粒的合成及其在基体表面大面积的均匀分布；本发明目的还在于，通过简单调节反应参数，实现这种担载型铜纳米粒子的形貌、分布密度以及完美铜八面体尺寸的有效控制。

本发明技术解决方案是：大面积均匀分布的铜八面体纳米颗粒的制备方法：其特征是阳极为纯铜片(纯度≥99.95％)，阴极使用的电极是在金属(尤其是硅片)正面沉积或镀一层金膜(gold film electrode，简称GFE，以下均相同)制得，电解液是铜盐溶液(尤其是硫酸盐溶液)；铜盐电解液的浓度为0.08-0.24mol/L；电沉积时调节恒定总电压为10-100mV，电解时间为20-200s；反应后将负载铜纳米颗粒的负极用去离子水反复清洗，最后在空气中晾干。

阳极的电极为纯铜片，其尺寸为30mm×40mm～30mm×20mm；阴极采用的是GFE电极，尺寸均为10mm×10mm～10mm×5mm，用来沉积铜纳米晶；电极间距离为30～50mm，两个电极用铁架台固定，电解液的体积为20-100mL；通过改变电压、电解液浓度和沉积时间来调整铜纳米颗粒的形貌、尺寸和分布密度。

具体而言是先依次用丙酮、乙醇和去离子水对Si(111)片反复清洗，在空气中晾干，然后在精密镀膜机上沉积一定厚度的金膜；以硫酸铜加入去离子水配制成电解液；用金刚石砂纸对阳极铜电极进行抛光，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，以去除表面的氧化铜等杂质；将两个电极插入电解液中并用铁架台固定，正对面积为10mm×5mm，电极间距为40mm；将电阻串连到整个回路中；以恒压模式开始电沉积；反应结束后，将担载铜纳米颗粒的阴极用去离子水反复清洗，以去除表面附着的CuSO₄晶体，然后在空气中自然晾干。