CN106673051A - 一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法 - Google Patents

一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于自组装技术制备氧化亚铜超级晶体材料的有效方法。主要特征是以可溶性铜盐为原料，以正丁醇与水的混合物为溶剂，放入高压反应釜中，在50‑180°C条件下反应0.5‑24小时，直接获得氧化亚铜超级晶体材料。本发明的特点在于产品无需煅烧，可以直接得到高结晶度的自组装氧化亚铜超级晶体，而且氧化亚铜超级晶体材料的大小均一，制备方法简单、高效，易于实现产业化，简单的溶剂热法制造出不同形貌的Cu2O纳米结构，不同形貌的Cu2O纳米材料尺寸在1μm左右不等。基于Cu2O纳米材料独特的光学性质，可以在太阳光的辐射下引发光催化反应的特点，可望用于更高效的光催化产氢。

Description

一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法
技术领域
本发明涉及到一种氧化亚铜纳米材料的合成方法，特别是一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，属于微纳米材料结构控制的领域。
背景技术
氧化亚铜的禁带宽度为2.17eV，是一种典型的p型半导体材料，具有较高的吸光系数和独特的光学性质，是一种前景优良、极具潜力的光催化剂材料，独特的禁带宽度使其在太阳能电池和光电功能器件等领域有广泛的应用。氧化亚铜的结构和形貌对其性能有着重要的影响，因此结构和形貌的控制是新材料应用领域的重要研究部分。早在1993年，KirkH. Schul等已经报道过Cu2O的一些微观结构并对其进行了深入的研究，近二十多年来，基于Cu2O的特殊的半导体性质及其结构，以及在不同的合成方法下具有不同的形貌和尺寸，使其成为了热门的研究方向，Linfeng Gou 和Catherine J. Murphy用水热法合成了Cu2O立方体，并在此基础上复合贵金属Au纳米颗粒，使得Cu2O复合材料也成为热门的研究方向。随着对金属氧化物材料不断的研究，Cu2O材料在气体传感、电化学、光催化电子器件方面的运用将会越来越多，这是因为Cu2O材料由于具有较高的导电性能，适度的能带以及功能多样性，因此可以广泛应用。氧化亚铜材料的研究引起了人们的极大研究兴趣，但由于晶体结构的限制，使得材料的多功能性、小型化、集成化、高稳定性等受到制约，从而导致其实际应用备受局限。氧化亚铜超级晶体材料因具有表面能高和纳米尺寸效应等优势，使其设计和合成吸引了物理、化学及材料学界的高度重视，并得到了迅猛发展和应用。制造氧化亚铜晶体材料的方法有很多，材料的生产步骤简便、形貌和结构均一稳定，才能在减少环境污染、分离提纯、降低成本和改善器件性能等方面有重要的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、工艺简单、生产高效且能一步合成氧化亚铜超级晶体材料制备方法。
本发明的自组装的氧化亚铜超级晶体材料制备方法，以二价铜的化合物和阴离子表面活性剂为原料，分别以正丁醇和水的混合物为溶剂，放入高压釜中，在50-200℃下反应0.5-24小时，直接获得氧化亚铜超级晶体材料。
实现本发明的技术方案是：一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，步骤如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将阴离子表面活性剂溶解于正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将二价铜化合物利用去离子水超声溶解，配制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在磁力搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕搅拌30-90min后加入抗坏血酸，再次搅拌1-5h，之后逐滴加入氢氧化钠溶液得到混合溶液，调节pH为9-13，将得到的混合溶液放入高压釜中、于50-180℃温度下恒温反应0.5-24h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
所述步骤（1）中阴离子表面活性剂为琥珀酸二异辛酯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的任意一种。
所述步骤（1）中正丁醇与步骤（2）中去离子水的体积比为1:（2-10）。
所述步骤（2）中二价铜化合物与步骤（1）中阴离子表面活性剂的物质的量之比为1:（1-6）。
所述步骤（2）中二价铜化合物与步骤（3）中抗坏血酸的物质的量之比为1:（3-6）
所述步骤（2）中二价铜的化合物为醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜中的任意一种。
所述步骤（3）氢氧化钠溶液的浓度为0.1-2mol/L。
所述步骤（3）中滴加速度为2-5s/滴。
本发明的有益效果是：本发明向水相中加入过量的油相形成油包水型（W/O）胶束，此时溶液是透明色的，形成的溶液随着水相的增加胶束状态逐渐变为水包油（O/W）型，溶液由透明的油包水型转变为乳白色直至最后又形成透明的水包油型的溶液，加入不同量的表面活性剂保证了胶束在溶液中形成不同的状态，氧化亚铜超级晶体材的结构随着反应体系中加入的表面活性剂的量的不同（Cu2+与表面活性剂的比例）而变化，可以得到六面体、多孔六面体、八瓣花状、多面体等超级晶体。超级晶体材料的表面也可以进一步调控为线和颗粒结构。制备方法简单、高效，无需特殊设备，且产物无需煅烧便直接可以得到氧化亚铜超级晶体材料；材料的形貌、大小均一，易于实现产业化。简单的溶剂热法制造出不同形貌的Cu2O纳米结构，不同形貌的Cu2O纳米材料尺寸在1μm左右不等。基于Cu2O纳米材料独特的光学性质，可以在太阳光的辐射下引发光催化反应的特点，可望用于更高效的光催化产氢。
附图说明
图1为实施例1的氧化亚铜超级晶体材料的XRD衍射图谱；
图2为实施例1的不同形貌的氧化亚铜超级晶体材料的场发射扫描电镜图片；
图3为实施例2的氧化亚铜超级晶体材料的XRD衍射图谱；
图4为实施例2的不同形貌的氧化亚铜超级晶体材料的场发射扫描电镜图片；
图5为实施例3的氧化亚铜超级晶体材料的XRD衍射图谱；
图6为实施例3的不同形貌的氧化亚铜超级晶体材料的场发射扫描电镜图片。
具体实施方式
实施例1
称取0.8mmol琥珀酸二异辛酯磺酸钠（AOT）阴离子表面活性剂，加入60 mL正丁醇中超声溶解30分钟，形成均一的油相溶液；然后称取0.6mmol醋酸铜，加入90 mL去离子水超声溶解10分钟，形成均一稳定的水相溶液；室温剧烈搅拌的状态下，向表面活性剂溶液中逐滴加入铜盐水相溶液，直至加完水相溶液，剧烈搅拌30min后，再向混合溶液中加入3mmol抗坏血酸，剧烈搅拌1h，逐滴加入10ml（0.5mol/l）NaOH溶液。将得到的均一稳定溶液装入带有聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封，于100℃下恒温反应12小时，然后自然冷却到室温。产物经蒸馏水与无水乙醇各洗涤3次，40℃干燥12h即得到立方体的氧化亚铜超级晶体材料。
图1为本实施例得到的氧化亚铜超级晶体材料的XRD谱图，图谱中的衍射峰都很好的对应了氧化亚铜的衍射峰。峰形尖锐，说明氧化亚铜的结晶度高。图2中三个图片为形貌规则、结晶性好的立方体状氧化亚铜超级晶体材料的FESEM照片，厚度为纳米级的薄皮规则的自行组装，形成立方体结构的氧化亚铜超级晶体材料。
实施例2
称取0.7mmol琥珀酸二异辛酯磺酸钠（AOT）阴离子表面活性剂，加入30 mL正丁醇中超声溶解30分钟，形成均一的油相溶液；然后，称取0.35mmol醋酸铜，加入120 mL去离子水超声溶解10分钟，形成均一稳定的水相溶液；室温剧烈搅拌的状态下，向表面活性剂溶液中逐滴加入铜盐水相溶液，直至加完水相溶液，剧烈搅拌30min后，再向混合溶液中加入1.75mmol抗坏血酸，剧烈搅拌1 h，逐滴加入3ml（2mol/l）NaOH溶液，最后溶液形成均一稳定的乳液。将得到的均一稳定溶液装入带有聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封，于120℃下恒温反应12小时，然后自然冷却到室温。产物经蒸馏水与无水乙醇各洗涤3次，40℃干燥12h即得到八瓣花状的氧化亚铜超级晶体材料。
图3为本实施例得到的八瓣花状氧化亚铜超级晶体材料的XRD谱图，图谱中的衍射峰都很好的对应了氧化亚铜的衍射峰。峰形尖锐，说明氧化亚铜的结晶度高。图4为八瓣花状氧化亚铜超级晶体材料的FESEM照片，从图中可以清晰的看到形成的晶体的形貌和尺寸均一。
实施例3
称取1.2mmol琥珀酸二异辛酯磺酸钠（AOT）阴离子表面活性剂，加入50mL正丁醇中超声溶解30分钟，形成均一的油相溶液；然后，称取0.4mmol醋酸铜，加入100 mL去离子水超声溶解10分钟，形成均一稳定的水相溶液；室温剧烈搅拌的状态下，向表面活性剂溶液中逐滴加入铜盐水相溶液，直至加完水相溶液，剧烈搅拌30min后，再向混合溶液中加入2mmol抗坏血酸，剧烈搅拌2 h，逐滴(2s/滴)加入5ml（1mol/l）NaOH溶液，最后溶液形成均一稳定的乳液。将得到的均一稳定溶液装入带有聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封，于150℃下恒温反应12小时，然后自然冷却到室温。产物经蒸馏水与无水乙醇各洗涤3次，40℃干燥12h即得到多孔六面体状的氧化亚铜超级晶体材料。
图5为本实施例得到的多孔六面体状氧化亚铜超级晶体材料的XRD谱图，图谱中的衍射峰都很好的对应了氧化锌的衍射峰。峰形尖锐，说明氧化亚铜的结晶度高。图6为多空六面体状氧化亚铜超级晶体材料的FESEM照片，从图中可以清晰的看到形成的晶体的形貌和尺寸均一。
实施例4
本实施例氧化亚铜超级晶体材料的制备方法如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将0.3mmol十二烷基硫酸钠溶解于20ml正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将0.3mmol醋酸铜利用200ml去离子水超声溶解，配制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入（2s/滴）步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕后搅拌30min，加入0.9mmol抗坏血酸搅拌1h，之后逐滴加入0.1mol/L的氢氧化钠调节pH为9，将得到的混合溶液放入高压釜中、于50℃温度下恒温反应24h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
实施例5
本实施例氧化亚铜超级晶体材料的制备方法如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将0.7mmol十二烷基硫酸钠溶解于30ml正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将0.35mmol硝酸铜利用150ml去离子水超声溶解，制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入（3s/滴）步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕后搅拌50min，加入1.4mmol抗坏血酸搅拌2h，之后逐滴加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为10，将得到的混合溶液放入高压釜中、于100℃温度下恒温反应20h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
实施例6
本实施例氧化亚铜超级晶体材料的制备方法如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将1.2mmol十二烷基苯磺酸钠溶解于40ml正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将0.4mmol硝酸铜利用240ml去离子水超声溶解，制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入（4s/滴）步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕后搅拌60min，加入2mmol的抗坏血酸搅拌3h，之后逐滴加入1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为11，将得到的混合溶液放入高压釜中、于150℃温度下恒温反应15h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
实施例7
本实施例氧化亚铜超级晶体材料的制备方法如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将2.4mmol十二烷基苯磺酸钠溶解于50ml正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将0.6mmol硫酸铜利用200ml去离子水超声溶解，制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入（4s/滴）步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕后搅拌70min，加入3.6mmol的抗坏血酸搅拌4h，之后逐滴加入1.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为12，将得到的混合溶液放入高压釜中、于165℃温度下恒温反应8h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
实施例8
本实施例氧化亚铜超级晶体材料的制备方法如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将2.8mmol琥珀酸二异辛酯磺酸钠溶解于80ml正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将0.7mmol硝酸铜利用160ml去离子水超声溶解，配制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入（5s/滴）步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕后搅拌90min，加入4.2mmol的抗坏血酸搅拌5h，之后逐滴加入2mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为13，将得到的混合溶液放入高压釜中、于180℃温度下恒温反应0.5h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。

Claims (8)

1.一种氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）配制表面活性剂溶液：将阴离子表面活性剂溶解于正丁醇中，形成油相溶液；
（2）配置铜盐溶液：将二价铜化合物利用去离子水超声溶解，配制成铜盐溶液；
（3）制备不同形貌的氧化亚铜材料：在磁力搅拌状态下，向步骤（1）中油相溶液中逐滴加入步骤（2）的铜盐溶液，滴加完毕搅拌30-90min后加入抗坏血酸，再次搅拌1-5h，之后逐滴加入氢氧化钠溶液调节pH为9-13，将得到的混合溶液放入高压釜中、于50-180℃下恒温反应0.5-24h；
（4）将步骤（3）中高压反应后的产物依次利用蒸馏水和无水乙醇洗涤，洗涤后产物在40℃下干燥12h得到氧化亚铜超级晶体材料。
2.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中阴离子表面活性剂为琥珀酸二异辛酯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中正丁醇与步骤（2）中去离子水的体积比为1:（2-10）。
4.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中二价铜化合物与步骤（1）中阴离子表面活性剂的物质的量之比为1:（1-6）。
5.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中二价铜化合物与步骤（3）中抗坏血酸的物质的量之比为1:（3-6）。
6.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中二价铜化合物为醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中氢氧化钠溶液的浓度为0.1-2mol/L。
8.根据权利要求1所述的氧化亚铜超级晶体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中滴加速度为2-5s/滴。
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