[发明专利]液态烷烃回流法制备碳包铜纳米粒子

说明书

技术领域

本发明属于炭基复合材料制备领域，具体涉及到以一种新型的有机无机复合先驱体制备碳包铜纳米粒子的制备方法。 

背景技术

目前，铜纳米粒子广泛应用于催化剂、电池材料、导电浆料、导热流体、固体润滑剂等领域。然而，由于铜纳米粒子的表面能极高，所以其在空气中很容易被氧化或发生团聚，其性能也会随之丧失。因此，提高铜纳米粒子的抗氧化性和防止其团聚就显得尤为重要。 

铜纳米粒子的表面改性是提高其抗氧化性和防止团聚的主要途径，目前，铜纳米粒子的表面改性的途径主要是在铜纳米粒子表面包覆一层其他物质，所用包覆层主要有以下三种：其一是在铜纳米粒子表面包覆一层银，Xu Xinru等（Materials Letters 57（2003）3987-3991）利用电镀银技术在铜纳米粒子表面包覆了一层银，所得银包覆铜粒子具有良好的抗氧化性。其二是在铜纳米粒子表面包覆一层无机物，例如SiO₂、Ba-TiO₂ 等。其三就是在铜纳米粒子表面包覆一定厚度的碳层，形成碳包铜纳米粒子。 

碳包铜纳米粒子的碳包覆层不但可以克服铜纳米粒子易氧化和团聚的缺点，同时，铜粒子外侧包覆的碳层与有机物有很好的相容性，因此，碳包覆层可以赋予铜纳米粒子更多新的特性。例如，由于碳包覆层与环氧树脂等有机基体具有很好的相容性, 当碳包铜纳米粒子作为电子浆料的填料时可使制备的电子浆料沉降性能非常稳定。此外，碳包铜纳米粒子还具有很多优异的性能，例如，宾晓蓓等（摩擦学学报 28（2008）23-27）制备了石墨结构层包覆铜纳米粒子并用作润滑油添加剂，可以显著提高润滑油的承载能力，降低其摩擦系数，提高耐磨性。张晓荣（武汉工程大学学报 33（2011）47-49）等利用碳包覆铜纳米粒子修饰的玻碳电极为工作电极, 用循环伏安法测试对硝基苯酚在碱性水溶液中的电化学行为，结果表明，碳包覆铜纳米粒子具有良好的电化学催化性能, 显著提高了对硝基苯酚的反应活性。 

目前，碳包铜纳米粒子的制备方法有电弧放电法、爆轰法（爆炸与冲击32（2012）174-178）、高温分解铜的酞菁染料(CuPc)法（Applied Physics A: Materials Science & Processing 78（2004）73-77）、液相还原CuCl₂-石墨层间化合物法、液相还原无机铜盐-高温退火法等。其中，占主导地位的是电弧放电法，但电弧放电法对设备要求高、耗能高，成本较高，因而在一定程度上制约了碳包铜纳米粒子的应用和研究。我们在之前采用烷烃回流法制备碳成功制得了碳包铜纳米粒子。与电弧放电法相比，该方法具有条件温和、易于控制、操作简便、成本较低、适于规模化制备等优点。 

本发明的基本构思是：以硫酸铜和氢氧化钠为原料，用水解法制备氧化铜纳米粒子，用醇对其酯化改性；以液态的烷烃为碳源，回流氧化铜-液态烷烃悬浮液使有机碳链包裹在氧化铜粒子表面，从而制得有机-无机复合前驱体粉体，然后通过热处理将氧化铜还原为单质铜，同时使氧化铜粒子表面所包裹的有机碳链脱氢分解转化为无定形碳包裹在单质铜粒子表面，最终制得碳包铜纳米粒子。 

发明内容

本发明提供了一种新颖的利用液相烷烃回流法得到的有机碳链包裹氧化铜粉体为先驱体，经后续热处理制得碳包铜纳米粒子的新方法与新的技术路线。 

具体来讲本发明以硫酸铜和氢氧化钠为原料，用水解法制备氧化铜纳米粒子，以液态烷烃混合物为碳源，其中，液态烷烃混合物的碳链长度在11个碳原子与16个碳原子之间，沸点180~250℃。两者经过回流制备得到有机碳包覆纳米氧化铜粒子的新型的有机-无机复合先驱体粉体，此先驱体粉体再经后续热处理实现有机碳的充分的无机化转变与碳热还原反应，最终制备得到碳包铜纳米粒子。 

其具体工序步骤如下： 

(1)     备料：氧化铜纳米粒子，按Cu2+与OH-摩尔比为1：2，分别配置等体积的无水硫酸铜和氢氧化钠的水溶液，然后将两溶液在快速搅拌下迅速混合，制得蓝色絮状沉淀氢氧化铜。过滤，并将蓝色絮状沉淀氢氧化铜在机械搅拌下、于70～90℃蒸馏水中洗涤数次，直到用硫酸钡溶液检验滤液无硫酸根离子存在为止。在洗涤过程中蓝色絮状沉淀氢氧化铜分解为灰黑色的氧化铜，从而制得氧化铜纳米粒子。液态烷烃混合物的碳链长度在11个碳原子与16个碳原子之间，沸点180~250℃；