[发明专利]一种纳米球链状结构氧化铜及其制备方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。