[发明专利]一种氧化铜纳米空心球的制备及其应用

说明书

技术领域

本发明涉属于无机非金属材料制备技术领域，特别涉及一种氧化铜空心球的制备方法。

背景技术

空心结构纳米材料具有低密度、高比表面积、高的稳定性和表面渗透性等特点，在传感、药物缓释、化学存储、光电转换和电化学等领域具有广阔的应用前景。氧化铜(CuO)是一种典型的3D过渡金属P型半导体，具有单斜晶系的晶体结构、较低的能带隙(Eg＝1.2eV)，当其尺寸达到纳米级，衍生出一系列新颖的物化性质，如比表面积大、吸附能力强、表面反应活性高以及对温度、光、湿度、气体等外界环境高度敏感的特性，在催化、传感、高温超导和光电材料等方面得到广泛的研究与应用。正是因为氧化铜空心结构材料具有区别于实心材料的特殊的性质，使得人们对此类材料的制备和性能研究产生了极大的兴趣。

液相法是空心结构纳米材料的主要合成方法，包括使用各种可去除模板或自牺牲模板，可去除模板如碳球、SiO₂、聚苯乙烯等硬模板以及气泡、泡囊、胶束等软模板。近年来，基于柯肯达尔效应(Kirkendall effect)的合成途径，为获得空心结构金属氧化物纳米材料提供了一条新的思路，特别是利用直接氧化前驱物的方法，可简单、快速地获得空心结构明显的氧化氧化铜，如Xue等人以120℃溶剂热法所得实心结构CuS、Cu2S为前驱体，700℃煅烧4h得到空心结构CuO(J.Liu,D.F. Xue.Thermal Oxidation Strategy towards Porous Metal Oxide Hollow Architectures[J].Adv.Mater.,2008,20:2622–2627)；Huh等人以120℃水热法所得Cu微米球为前驱体，400℃煅烧5h得到CuO微米空心球Y.-S.Cho,Y.-D.Huh.Preparation of CuO Hollow Spheres by Oxidation of Cu Microspheres[J].Bull.Korean Chem.Soc.,2009,30:1410–1412)。从上述纳米氧化铜空心结构产物制备方法的报道中可以看出，在制备过程中一般要通过水热或溶剂热等耗能的合成方法获得纳米铜或铜化合物作为空心氧化铜产物的前驱体，并且将前驱体转化成空心氧化铜结构所需温度高，制备过程耗能量大，有的还产生有害物质如H₂S等，反应条件苛刻，经济成本高，且不利于规模化生产。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种制备制备工艺简单、重复性好、绿色环保节能、室温即可制备的氧化铜纳米空心球的制备方法。

为实现上述技术问题，本发明提供一种氧化铜纳米空心球，其原料组份包括可溶性铜盐、氨水、氢氧化钠、葡萄糖和过硫酸盐，整个反应过程在室温下进行，经过以下具体步骤制得：

(1)将水溶性二价铜盐溶于水磁力搅拌形成溶液，其中，铜离子浓度为0.015～0.045mol/L；

(2)向上述溶液中依次加入氨水和强碱溶液，使铜离子和氨水的摩尔浓度之比为13：1～17：1，铜离子和强碱摩尔浓度之比为0.3：1～0.3：1.4，分别磁力搅拌10～20min；

(3)再往上述溶液中依次加入1～5克葡萄糖和抗坏血酸溶液，其中，铜离子和抗坏血酸的摩尔浓度之比为1：1～1：3，磁力搅拌40～60min，离心分离得到氧化亚铜球；

(4)将上述氧化亚铜球分散于100～400mL水中，依次加入强碱和过硫酸盐溶液，其中强碱的浓度为0.08～0.28mol/L，氧化亚铜与过硫酸根摩尔数之比为1：2～1：8，磁力搅拌10～20min，将所得混浊物离心分离得到Cu₂O/CuO核壳结构；

(5)将上述Cu₂O/CuO核壳结构分散于100mL水中，加入硫代硫酸钠溶液使其浓度为0.04～0.8mol/L，搅拌1～3h，离心分离，所得固体即为产物。

优选的，步骤(5)后，将产物依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤，50～70℃真空干燥3～6h。

优选的，所述二价铜盐为硝酸铜、硫酸铜或氯化铜，或其混合物。。

优选的，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

优选的，步骤(3)中所述抗坏血酸溶液用水合肼或半胱氨酸代替。

优选的，步骤(4)中所述过硫酸盐为过流酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵。

优选的，所述步骤(1)溶液中铜离子浓度为0.030～0.045mol/L；