[发明专利]一种超支分级氧化亚铜纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种超支分级氧化亚铜纳米材料，以及该超支 分级氧化亚铜纳米材料的制备方法和应用。

背景技术

氧化亚铜是一类适合光电化学制氢的优良p型半导体材料，它的直接能带间隙为2.2eV (导带底-价带顶：-0.28～1.92eV)，其中导带底负于H₂O/H₂电位(0V)，而价带顶正于H₂O/O₂电极电位(1.23eV)，很好的满足了常温光催化水解的基本条件，且在AM1.5模拟太阳光光 强条件下理论光电流密度为-14.7mAcm^-2，太阳能-氢能转化效率最高可达18％。但是在实 际应用中限制其光电转换效率最主要的因素有两个：一是本征载流子(正、负电荷)在氧化 亚铜晶体内迁移距离远远小于(只有20-100nm)光线入射深度(10μm)，这会导致激子在 扩散到界面之前就发生复合导致入射光子的浪费；二是由于自身的光腐蚀现象导致的催化稳 定性较差。

以一维纳米线为基础的三维超支结构，可以很好的解决这些问题，它的形态类似于自然 界原始森林中的参天大树，由纳米线主干和附着在主干上的外延分支构筑而成。分级多枝结 构不仅能够有效阻挡纳米线之间发生絮凝团聚，更能显著提高比表面积和孔隙率，增强对入 射光线以及反应物质的捕获能力，促进光生电荷的高效分离和传输，在光电转换和催化过程 中提供更加丰富的反应活性位置。同时，通过低维简单纳米结构在三维空间中的合理安排， 所构成的复杂结构不仅具有单一纳米结构的功能，还能够通过它们之间的排列组合产生协同 效应，在充分利用有限空间的同时，最大化纳米线材料自身的结构优势。

随着纳米材料制备技术的发展，这种新型多级三维结构被广泛用于构筑金属、半导体材 料，并应用到能源储存、转化，光催化水解制氢，传感器以及超级电容器等热门领域。然而， 目前三维超支纳米线结构多采用化学气相沉积技术等高能耗工艺分步制取，不仅合成路线复 杂，而且反应中往往要用到贵金属催化剂，严重限制了这一独特结构的工业化生产与大规模 应用。因此，三维超支结构在温和条件下的制备，依然存在着大量技术空白。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种超支分级氧化亚铜纳米材料，以及该超支分级氧化 亚铜纳米材料的制备方法和应用。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种超支分级氧化亚铜纳米材料，包括氧化亚铜纳米线基体和沿氧化亚铜纳米线基体轴 向排列的刺状氧化亚铜纳米片，刺状氧化亚铜纳米片的生长方向与氧化亚铜纳米线基体垂直。

上述超支分级氧化亚铜纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

a将氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液混合并搅拌均匀，得到混合溶液；

b将步骤a得到的混合溶液加入锥形瓶中，然后置于油浴中加热，油浴的液面要没过锥 形瓶中混合溶液的高度，加热过程中保持匀速搅拌；

c待混合溶液体系温度达到水热反应温度时，迅速向锥形瓶中注入乙二胺和水合肼，之 后在该水热反应温度下反应，直至得到铜纳米线产品；

d将步骤c得到的铜纳米线产品经洗涤、富集后，置于充满湿润空气的密闭容器内氧化， 氧化完成后取出，即得到超支分级氧化亚铜纳米材料。

步骤a中：所述氢氧化钠溶液的浓度优选为8～9摩尔/升；硫酸铜溶液的浓度优选为0.2～ 0.3摩尔/升；氢氧化钠与硫酸铜的摩尔比优选为29～32∶1，更加优选31:1。

步骤b中：搅拌优选采用磁力搅拌或机械搅拌方式。

步骤c中：硫酸铜与乙二胺物质的量之比优选为0.08～0.10；硫酸铜与水合肼物质的量 之比优选为0.55～0.8。

步骤c中：所述水热反应温度优选为80摄氏度，水热反应时间优选为1小时。

步骤d中：所述洗涤过程优选是采用乙醇和水各洗涤三次，所述洗涤、富集步骤可采用 抽滤和离心设备。

步骤d中：所述氧化温度优选为60～70摄氏度；氧化时间优选为5～6小时。

步骤d中：所述氧化湿度优选控制在65％～70％范围内。

上述超支分级氧化亚铜纳米材料具有广泛的用途，可作为非酶传感器电极材料，光解水 制氢气材料以及光催化降解有机污染物材料，也可应用在锂离子电池储能、漏油吸附、油水 分离等领域。