CN105297081B - 一种利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法。该方法利用电化学工作站控制电压大小和时间长短，将含有硫酸铜、柠檬酸钠、去离子水、丙醇电解液中的Cu²⁺还原成Cu，沉积到ITO基板上，制备出具有二维层状结构的铜纳米片。用酒精冲洗掉样品表面的电解液后，放入真空干燥箱内干燥，即可获得二维层状铜纳米片样品。该方法制备二维层状铜纳米片具有操作简单，易于控制，不产生有毒物质等优点。

Description

一种利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法

技术领域

本发明属于电化学合成纳米材料领域，特别是涉及一种利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法。

背景技术

近年来，纳米材料由于其具有尺寸小，比表面积大以及量子尺寸等特性，在现代的科学技术发展中受到了人们广泛的关注。随着其制备技术日趋成熟，纳米技术在现代科学中占有越来越重要的地位。而铜纳米材料，因其价格低廉，且具有良好的延展性、导热率和导电率，在电学、力学、磁学等方面都能表现出优良的性能，也使其在润滑、催化、导电领域都有着广泛的应用。

科研工作者们对铜纳米材料的研究已有较长时间，近年来，应用多种纳米制备技术，制备出了不同形貌的铜纳米材料，如颗粒状、线性、棒形、立方体，但对于二维层状铜纳米片的相关报道却很少。二维纳米材料拥有独特的物理、化学、电子特性等，不仅具有较高电子迁移率、量子霍尔效应、非凡的热导性能、磁共振、超导性能等，还兼具低维材料中的零维纳米颗粒、一维纳米线的优异性能，使其拥有更广泛的商业应用前景，比如在催化、光电转换、电化学等方面都有着广泛的应用。由于金属具有很强的偏向三维密排趋势而进行三维生长的特性，因此，要想得到二维结构的铜纳米片就需要引入大量的不饱和键，但不饱和键的引入又会使得二维结构变得极不稳定，这一矛盾将为二维结构材料的制备带来巨大的挑战，尤其是在溶液相中的制备更是困难。由于层状结构可以保护纳米片在没有大量有机表面活性剂的情况下能够稳定存在，因此获得层状结构的纳米片是保护其稳定性的一种最为有效的途径。

制备金属纳米材料的方法有很多种，例如蒸发冷凝法、物理粉碎法、化学气相法、沉淀法、溶胶凝胶法、电化学合成法。其中电化学合成法因操作较为简单，可通过改变电压（电流密度）大小和时间长短控制产物的生长速率和最终的形貌，不需要离心分离等优势而受到了广泛的关注。并且，利用电化学合成法制备纳米材料时，将添加剂加入电解液中，更有助于控制生长晶体的形貌。而柠檬酸钠作为一种化学添加剂，在电化学合成法中对金属离子能够起到很好的络合作用，占据结晶表面的活性部位，易于获得晶粒细小的颗粒。而目前关于电化学方法合成的金属纳米材料中，已经得到了纳米颗粒、纳米线，以及三维生长的枝状纳米结构，因此，根据电化学合成金属纳米材料的方法，我们通过控制电压及柠檬酸钠的浓度，

在常温常压、无惰性气体保护的情况下合成平行于基板的具有二维层状结构的铜纳米片。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在常温常压、无惰性气体保护的条件下利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

三电极体系，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，工作电极选用ITO导电玻璃。电解液选用一定配比的硫酸铜、柠檬酸钠、丙醇、去离子水的混合液，所述硫酸铜、柠檬酸钠、丙醇的摩尔比为1:0.033~0.083:0.018~0.022。利用电化学工作站控制电压，对工作电极施加-0.6V~-0.3V电压，即可获得二维层状结构的铜纳米片；之后用乙醇冲洗掉样品表面的电解液，再放入真空干燥箱内干燥。

电解液中，硫酸铜为铜源，柠檬酸钠为表面吸附剂和辅助还原剂，丙醇为析氢抑制剂。

所述工作电极为ITO导电玻璃，使用前分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声洗涤5分钟，放入电热恒温箱中干燥，温度设定为50℃。

用电化学工作站控制工作电压为-0.6V~-0.3V，时间为4~10分钟。

在得到二维层状铜纳米片后，干燥样品的方法为真空干燥，干燥时间为5~10h。

本发明与现有技术相比具有的优点是：电化学合成二维层状纳米材料的方法相对简便，只需一步完成，该过程也不需要高温处理，常温常压条件即可，且不需气体保护；反应原料不具腐蚀性，且简单易得，使用产物也不需要保存在水溶液或有机溶液中，极大发挥了电化学制备材料的优越性；获得二维层状铜纳米片的制备过程效率高、成本低、稳定性好，重复性好，制备得到的样品结构均匀性好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明实施例2所合成的二维层状结构的铜纳米片的透射电子显微镜（TEM）图片，从断裂的铜纳米片TEM图可以明显看到样品内部层状结构，同时观察到具有较少层数的单独存在的片层。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但不认定本发明的实施方式仅限于此。

实施例1：

室温下，将大小为0.8×1.5cm的ITO导电玻璃，先后放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，然后正面朝上，放入铺有滤纸的培养皿中，再一同放入电热恒温干燥箱中，在50℃下干燥2h；配置出含有0.80ml五水合硫酸铜（50mM）、0.012g二水合柠檬酸三钠、1.50ml正丙醇及17.70ml去离子水的混合溶液，静置一段时间；连接三电极体系，将ITO导电玻璃夹在电化学工作站的工作电极处，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，使ITO导电玻璃的正面对准铂片，参比电极放置在工作电极与对电极中间，三电极一同放入电解池中，并加入配置好的电解液。用电化学工作站对工作电极施加-0.3V的电压，持续时间为300s，接着，ITO导电玻璃的正面将会出现一层红棕色物质，即为铜。停止施加电压后，从工作电极处取下ITO导电玻璃，用乙醇溶液冲洗掉样品表面的电解液，之后放入铺有滤纸的培养皿中，再一同放入真空干燥箱中干燥，即可获得二维层状铜纳米片。

实施例2：

室温下，将ITO导电玻璃，先后放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，再放入电热恒温干燥箱中，在50℃下干燥2h。配置出含有0.80ml五水合硫酸铜（50mM）、0.06g二水合柠檬酸三钠、1.50ml正丙醇及17.70ml去离子水的混合溶液，静置一段时间；连接三电极体系，工作电极选用ITO导电玻璃，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，向电解池中添加配置好的电解液。用电化学工作站对工作电极施加-0.3V的电压，持续时间为300s，可得到样品。停止施加电压后，从工作电极处取下ITO导电玻璃，用乙醇溶液冲洗掉样品表面的电解液即可。

实施例3：

室温下，将ITO导电玻璃，先后放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，再放入电热恒温干燥箱中，在50℃下干燥2h。配置出含有0.80ml五水合硫酸铜（50mM）、0.30g二水合柠檬酸三钠、1.50ml正丙醇及17.70ml去离子水的混合溶液，静置一段时间；连接三电极体系，工作电极选用ITO导电玻璃，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，向电解池中添加配置好的电解液。用电化学工作站对工作电极施加-0.3V的电压，持续时间为300s，可得到样品。停止施加电压后，从工作电极处取下ITO导电玻璃，用乙醇溶液冲洗掉样品表面的电解液即可。

实施例4：

室温下，将ITO导电玻璃，先后放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，再放入电热恒温干燥箱中，在50℃下干燥2h。配置出含有0.80ml五水合硫酸铜（50mM）、0.06g二水合柠檬酸三钠、1.50ml正丙醇及17.70ml去离子水的混合溶液，静置一段时间；连接三电极体系，工作电极选用ITO导电玻璃，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，向电解池中添加配置好的电解液。用电化学工作站对工作电极施加-0.4V的电压，持续时间为300s，可得到样品。停止施加电压后，从工作电极处取下ITO导电玻璃，用乙醇溶液冲洗掉样品表面的电解液即可。

实施例5：

室温下，将ITO导电玻璃，先后放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，再放入电热恒温干燥箱中，在50℃下干燥2h。配置出含有0.80ml五水合硫酸铜（50mM）、0.06g二水合柠檬酸三钠、1.50ml正丙醇及17.70ml去离子水的混合溶液，静置一段时间；连接三电极体系，工作电极选用ITO导电玻璃，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，向电解池中添加配置好的电解液。用电化学工作站对工作电极施加-0.6V的电压，持续时间为300s，可得到样品。停止施加电压后，从工作电极处取下ITO导电玻璃，用乙醇溶液冲洗掉样品表面的电解液即可。

Claims (4)

1.一种利用电化学制备二维层状铜纳米片的方法，其特征在于：

采用三电极体系，参比电极选用Ag|AgCl，对电极选用铂片，工作电极选用ITO导电玻璃，电解液选用一定配比的硫酸铜、柠檬酸钠、丙醇、去离子水的混合液，所述硫酸铜、柠檬酸钠、丙醇的摩尔比为1:0.033~0.083:0.018~0.022；

利用电化学工作站控制电压，对工作电极施加-0.6V~-0.3V电压，即可获得二维层状结构的铜纳米片，之后用乙醇冲洗掉样品表面的电解液，再放入真空干燥箱内干燥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作电极为ITO导电玻璃，使用前分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声洗涤5分钟，放入电热恒温干燥箱中干燥，温度设定为50℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用电化学工作站控制工作电压为-0.6~-0.3V，时间为4~10分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到二维层状铜纳米片后，干燥样品的时间为5~10h。