CN105063695B - 氧化铜‑氧化镍周期异质空心结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铜‑氧化镍周期异质空心结构及其制备方法。结构由管状氧化铜与颗粒状氧化镍‑氧化铜复合体交替连接组成纳米链，其中，氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为20～69nm、管壁厚为11～13nm，复合体颗粒为空心结构，氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为71～500nm、管壁厚为11～13nm，复合体颗粒为芯壳结构，其芯为氧化镍、壳为氧化镍‑氧化铜复合体；方法为依次对铝片使用阳极氧化法、电化学沉积法和化学腐蚀法后，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列，再对纳米线阵列超声分散后置于650～700℃下退火，制得目的产物。它具有高的比表面积和好的表面透过性，可广泛地用于催化、气敏、锂离子电池、太阳能电池、纳米电子学等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种异质空心结构及制备方法，尤其是一种氧化铜-氧化镍周期异质空心结构及其制备方法。
背景技术
纳米结构的过渡金属氧化物由于在催化、气敏、锂离子电池、太阳能电池、纳米电子学等多个领域有很好的应用前景而引起了人们的广泛关注。近年来，多种形貌的过渡金属氧化物如纳米线、纳米片、纳米球、纳米管等已被成功地制备出来，如中国发明专利CN103111615 B于2014年9月3日公告的本申请人的一种氧化铜膜连接金属镍颗粒组成的纳米链及其制备方法。该专利中提及的纳米链由金属镍颗粒与氧化铜膜交替连接组成；方法为对铝片先后使用阳极氧化法和电化学沉积法，得到孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板后，再经碱溶液浸泡后超声分散，获得产物。然而，无论是产物，还是其制备方法，均存在着欠缺之处，首先，构成产物的材料中仅有氧化铜为过渡金属氧化物，不能形成不同成分过渡金属氧化物各自的优势和相互作用而产生的协同作用；其次，作为过渡金属氧化物的氧化铜只是为膜状，难以具有高的比表面积、低的材料密度和好的表面透过性，不能有效地提高产物的表面活性和表面反应速度，以及有利于离子快速扩散，从而提高其催化活性、气敏特性，以及电池性能包括高的充放电电容、好的循环性能以及高的比电容等；最后，制备方法不能获得具有多种过渡金属氧化物、高比表面积和好的表面透过性的产物。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种具有两种过渡金属氧化物交替连接的、高的比表面积和好的表面透过性的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：氧化铜-氧化镍周期异质空心结构包括氧化铜，特别是，
所述氧化铜为管状，所述管状氧化铜与颗粒状氧化镍-氧化铜复合体交替连接组成纳米链；
所述氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为20～69nm、管壁厚为11～13nm，所述氧化镍-氧化铜复合体颗粒为空心结构，所述空心结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为70～90nm、长为70～220nm、壁厚为26～28nm，
或者，
所述氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为71～500nm、管壁厚为11～13nm，所述氧化镍-氧化铜复合体颗粒为芯壳结构，其芯为氧化镍、壳为氧化镍-氧化铜复合体，所述芯壳结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为90～105nm、长为20～500nm、壳厚为27～29nm。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法包括阳极氧化法和电化学沉积法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为45～55nm的通孔氧化铝模板，再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为150～250nm的金膜；
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行多次的交替电沉积，其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为0.8～1.2V、沉积时间为30～90s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为1.8～2.2V、沉积时间为10～60s，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板，再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为3～7wt％的碱溶液中浸泡18～22min，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列；
步骤3，先将由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线，再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于650～700℃下退火至少1h，制得氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
作为氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法的进一步改进：
优选地，铜电解液为pH值为2.5的硫酸铜溶液。
优选地，镍电解液为pH值为2.5的硫酸镍溶液。
优选地，电沉积时的阳极为石墨电极。
优选地，交替电沉积的次数≥6次。
优选地，每次电沉积后，均将其孔中置有铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于去离子水中进行清洗。
优选地，碱溶液为氢氧化钠溶液，或氢氧化钾溶液，或氢氧化锂溶液。
优选地，将由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列置于乙醇中进行超声分散之前，先对其使用去离子水反复冲洗后，再使用乙醇进行清洗。
优选地，退火时从室温升至650～700℃的时间≤30min。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜、透射电镜和能谱测试仪进行表征，由其结果可知，目的产物为管状氧化铜与颗粒状氧化镍-氧化铜复合体交替连接组成纳米链。其中，当氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为20～69nm、管壁厚为11～13nm时，氧化镍-氧化铜复合体颗粒为空心结构，该空心结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为70～90nm、长为70～220nm、壁厚为26～28nm；当氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为71～500nm、管壁厚为11～13nm时，氧化镍-氧化铜复合体颗粒为芯壳结构，其芯为氧化镍、壳为氧化镍-氧化铜复合体，此芯壳结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为90～105nm、长为20～500nm、壳厚为27～29nm。这种由空心管状结构的氧化铜和空心结构或芯壳结构的氧化镍-氧化铜复合体组装成的目的产物，既充分地发挥了氧化铜和氧化镍各自的优势，又充分地发挥了氧化铜-氧化镍异质复合结构带来的协同效应，还同时具有了空心结构带来的比表面积大、高表面活性和高表面反应速度的优势。
其二，制备方法简单、科学、高效。不仅制得了具有两种过渡金属氧化物交替连接的、高的比表面积和好的表面透过性的目的产物——氧化铜-氧化镍周期异质空心结构，还使其具有了除结合两种不同成分各自的优势性能之外的因相互作用而产生的协同性能，更有着工艺简便、成本低廉，以及较强的普适性特点，适用于其它多种金属氧化物如Fe3O4、Co3O4、ZnO等构成的周期性异质空心结构的制备；进而使目的产物极易于广泛地应用于催化、气敏、锂离子电池、太阳能电池、纳米电子学等多个领域。
附图说明
图1是对使用不同电沉积时间制得的目的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。其中，图1a为电沉积镍30s、铜30s时目的产物的SEM图像，图1b为电沉积镍90s、铜45s时目的产物的SEM图像，图1c为电沉积镍10s、铜60s时目的产物的SEM图像，图1d为电沉积镍60s、铜90s时目的产物的SEM图像。
图2是对目的产物使用透射电镜(TEM)进行表征的结果之一。其中，图2a为图1a所示目的产物的TEM图像，图2b为图1d所示目的产物的TEM图像；由其可看出，图2a所示目的产物中的颗粒为空心结构，图2b所示目的产物中的颗粒为芯壳结构。
图3是对使用电沉积镍30s、铜30s时制得的目的产物使用透射电镜及其附带的能谱(EDS)测试仪进行表征的结果之一。其中，图3a为其的TEM图像；图3b为图3a所示目的产物中单根纳米链的TEM图像，该TEM图像右上角为其局部高倍率的TEM图像；图3c为图3b所示空心颗粒部分的SAED(选区电子衍射)图像；图3d为对图3b所示单根纳米链进行元素面扫描的EDS谱图，由其可知，空心颗粒的成分构成为NiO和CuO。
图4是对使用电沉积镍60s、铜90s时制得的目的产物使用透射电镜及其附带的能谱测试仪进行表征的结果之一。其中，图4a为单根纳米链的TEM图像，其左上角为该单根纳米链中CuO管状区域的SAED图像；图4b为图4a所示单根纳米链中CuO管状区域的EDS谱图；图4c为目的产物中氧化镍-氧化铜复合体颗粒的TEM图像，由其可看出氧化镍-氧化铜复合体颗粒为芯壳结构；图4d为对图4c所示目的产物的径向进行的线扫描的EDS谱图，其显示出该芯壳结构的芯为NiO、壳为NiO-CuO复合体；图4e为图4c所示目的产物的SAED图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
铝片；作为铜电解液的pH值为2.5的硫酸铜溶液；作为镍电解液的pH值为2.5的硫酸镍溶液；作为碱溶液的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和氢氧化锂溶液；乙醇。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为45nm的通孔氧化铝模板；再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为150nm的金膜。
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行6次的交替电沉积；其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为0.8V、沉积时间为90s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为1.8V、沉积时间为60s，电沉积时的阳极为石墨电极，每次电沉积后，均将其置于去离子水中进行清洗，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板。再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为3wt％的碱溶液中浸泡22min；其中，碱溶液为氢氧化钠溶液，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列。
步骤3，先对由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列依次使用去离子水反复冲洗和使用乙醇进行清洗后，将其置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线。再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于650℃下退火3h；其中，从室温升至退火温度的时间为22min，制得如图1d和图2b所示，以及如图4中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为48nm的通孔氧化铝模板；再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为180nm的金膜。
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行13次的交替电沉积；其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为0.9V、沉积时间为60s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为1.9V、沉积时间为10s，电沉积时的阳极为石墨电极，每次电沉积后，均将其置于去离子水中进行清洗，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板。再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为4wt％的碱溶液中浸泡21min；其中，碱溶液为氢氧化钠溶液，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列。
步骤3，先对由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列依次使用去离子水反复冲洗和使用乙醇进行清洗后，将其置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线。再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于663℃下退火2.5h；其中，从室温升至退火温度的时间为24min，制得如图1c和图2b所示，以及如图4中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为50nm的通孔氧化铝模板；再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为200nm的金膜。
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行21次的交替电沉积；其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为1V、沉积时间为45s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为2V、沉积时间为90s，电沉积时的阳极为石墨电极，每次电沉积后，均将其置于去离子水中进行清洗，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板。再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为5wt％的碱溶液中浸泡20min；其中，碱溶液为氢氧化钠溶液，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列。
步骤3，先对由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列依次使用去离子水反复冲洗和使用乙醇进行清洗后，将其置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线。再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于675℃下退火2h；其中，从室温升至退火温度的时间为26min，制得如图1b和图2b所示，以及如图4中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为53nm的通孔氧化铝模板；再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为230nm的金膜。
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行28次的交替电沉积；其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为1.1V、沉积时间为40s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为2.1V、沉积时间为45s，电沉积时的阳极为石墨电极，每次电沉积后，均将其置于去离子水中进行清洗，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板。再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为6wt％的碱溶液中浸泡19min；其中，碱溶液为氢氧化钠溶液，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列。
步骤3，先对由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列依次使用去离子水反复冲洗和使用乙醇进行清洗后，将其置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线。再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于688℃下退火1.5h；其中，从室温升至退火温度的时间为28min，制得近似于图1a和图2a所示，以及如图3中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为55nm的通孔氧化铝模板；再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为250nm的金膜。
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行36次的交替电沉积；其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为1.2V、沉积时间为30s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为2.2V、沉积时间为30s，电沉积时的阳极为石墨电极，每次电沉积后，均将其置于去离子水中进行清洗，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板。再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为7wt％的碱溶液中浸泡18min；其中，碱溶液为氢氧化钠溶液，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列。
步骤3，先对由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列依次使用去离子水反复冲洗和使用乙醇进行清洗后，将其置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线。再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于700℃下退火1h；其中，从室温升至退火温度的时间为30min，制得如图1a和图2a所示，以及如图3中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
再分别选用作为碱溶液的氢氧化钾溶液，或氢氧化锂溶液，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1和图2所示，以及如图3和图4中的谱线所示的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种氧化铜-氧化镍周期异质空心结构，包括氧化铜，其特征在于：
所述氧化铜为管状，所述管状氧化铜与颗粒状氧化镍-氧化铜复合体交替连接组成纳米链；
所述氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为20～69nm、管壁厚为11～13nm，所述氧化镍-氧化铜复合体颗粒为空心结构，所述空心结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为70～90nm、长为70～220nm、壁厚为26～28nm，
或者，
所述氧化铜管的管直径为50～60nm、管长为71～500nm、管壁厚为11～13nm，所述氧化镍-氧化铜复合体颗粒为芯壳结构，其芯为氧化镍、壳为氧化镍-氧化铜复合体，所述芯壳结构氧化镍-氧化铜复合体的直径为90～105nm、长为20～500nm、壳厚为27～29nm。
2.一种权利要求1所述氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，包括阳极氧化法和电化学沉积法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先对铝片使用阳极氧化法，得到孔直径为45～55nm的通孔氧化铝模板，再于通孔氧化铝模板的一面蒸镀厚度为150～250nm的金膜；
步骤2，先将一面蒸镀有金膜的氧化铝模板作为阴极，分别置于铜电解液和镍电解液中进行多次的交替电沉积，其中，每次于铜电解液中电沉积时的沉积电压为0.8～1.2V、沉积时间为30～90s，每次于镍电解液中电沉积时的沉积电压为1.8～2.2V、沉积时间为10～60s，得到其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板，再将其孔中置有交替连接的铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于浓度为3～7wt％的碱溶液中浸泡18～22min，得到由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列；
步骤3，先将由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列置于乙醇中进行超声分散，得到分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线，再将分散状的由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线置于650～700℃下退火至少1h，制得氧化铜-氧化镍周期异质空心结构。
3.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是铜电解液为pH值为2.5的硫酸铜溶液。
4.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是镍电解液为pH值为2.5的硫酸镍溶液。
5.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是电沉积时的阳极为石墨电极。
6.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是交替电沉积的次数≥6次。
7.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是每次电沉积后，均将其孔中置有铜柱和镍柱的一面蒸镀有金膜的氧化铝模板置于去离子水中进行清洗。
8.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是碱溶液为氢氧化钠溶液，或氢氧化钾溶液，或氢氧化锂溶液。
9.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是将由铜柱和镍柱交替连接组成的纳米线阵列置于乙醇中进行超声分散之前，先对其使用去离子水反复冲洗后，再使用乙醇进行清洗。
10.根据权利要求2所述的氧化铜-氧化镍周期异质空心结构的制备方法，其特征是退火时从室温升至650～700℃的时间≤30min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |