CN109622987A - 一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法。包括以下有效步骤：(1)将金属铜盐分散在去离子水中，加入吡咯后磁力搅拌半个小时，得到混合均匀的溶液；(2)向步骤(1)得到的溶液中加入长链烷基胺和还原剂，室温下搅拌过夜，得到混合溶液；(3)把步骤(2)得到的混合溶液加热6～12个小时，并用去离子水和无水乙醇对反应产物离心洗涤，即可得到核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线。通过本发明这种简单的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的复合纳米线材料，在保持铜纳米线导电性的同时有效提高了铜纳米线的抗氧化性；另一方面本发明提供的核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线合成方法工艺简单，成本低廉，能够实现大规模的工业生产。

Description

一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法
技术领域
本发明属于一维金属纳米材料制备领域，具体涉及一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法。
背景技术
近年来，金属纳米材料因其优异的电学、光学、热学和催化性能等优点成为研究的热点之一。纳米线、纳米棒、纳米片和纳米管等一维金属纳米材料具有卓越的导电性和机械柔韧性，被广泛的应用于纳米光子学、催化、电子学和传感器等领域。目前，贵金属纳米晶体的可控合成主要是关于银、金、铂等纳米结构。在众多的金属纳米结构中，银纳米线的稳定性好、导电性高、柔韧性好，并且合成技术已基本成熟，已被广泛应用在了电子学、纳米光子学等诸多领域。但是银的价格昂贵，资源有限，并不适合大规模的工业应用。相对于金和银等贵金属纳米线，铜纳米线具有与之类似的导电、导热、机械性能，同时铜的价格低廉，储量丰富等优势，逐渐成为代替银和金等贵金属的最佳选择。美中不足的是铜纳米线的表面能和表面活性比较大，从而导致了铜纳米线在空气中极易受到水蒸气和氧气的影响而被氧化成氧化铜或氧化亚铜，导致它的导电性、机械性能和热稳定性等性能下降。
目前对铜纳米线进行表面修饰形成一种核壳结构以及双金属异质结构是提高其抗氧化性的主要措施，例如在铜纳米线表面包裹一层还原氧化石墨烯形成核壳结构，或者在铜纳米线表面沉积一层贵金属纳米晶粒形成金属异质结构。但是大多数的方法都需要两步或多步法来实现，一般是先合成铜纳米线，然后再把还原氧化石墨烯或贵金属纳米晶粒包裹在铜纳米线表面，制备过程繁琐且不可控，化学稳定性欠佳。
发明内容
本发明针对上述的铜纳米线制备所存在的技术问题，提出一种方法简便，能够实现一步制备制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，包括以下有效步骤：
(1)将金属铜盐分散在去离子水中，加入吡咯后磁力搅拌半个小时，得到混合均匀的溶液；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入长链烷基胺和还原剂，室温下搅拌过夜，得到混合溶液；
(3)把步骤(2)得到的混合溶液加热6～12个小时，并用去离子水和无水乙醇对反应产物离心洗涤，即可得到核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线。
作为优选，步骤(1)中，所述的金属铜盐为无水氯化铜，二水氯化铜，硝酸铜，硫酸铜中的至少一种物质。
作为优选，步骤(1)中，所述吡咯与铜的质量比为1：4～1。
作为优选，步骤(1)中，所述磁力搅拌的速度为150～350r/min。
作为优选，步骤(2)中，所述长链烷基胺为十四烷基胺、十六烷基胺或十八烷基胺中的任意一种物质。
作为优选，步骤(2)中，所述还原剂为葡糖糖、抗坏血酸或蔗糖。
作为优选，步骤(3)中，加热温度在70℃～100℃之间。
作为优选，步骤(3)中，反应的产物用去离子水和无水乙醇在2000r/min～5000r/min下离心洗涤多次。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
通过本发明这种简单的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的复合纳米线材料，在保持铜纳米线导电性的同时有效提高了铜纳米线的抗氧化性；另一方面本发明提供的核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线合成方法工艺简单，成本低廉，能够实现大规模的工业生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1方法制备的吡咯和铜的质量比为0:1的铜纳米线的扫描电子显微镜照片；
图2为实施例1制备的吡咯和铜的质量比为0:1的铜纳米线线的X射线衍射图像；
图3为实施例2制备的吡咯和铜的质量比为1:2的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的扫描电子显微镜照片；
图4为实施例2制备的吡咯和铜的质量比为1:2的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的X射线衍射图像；
图5为实施例3制备的吡咯和铜的质量比为1:1的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的扫描电子显微镜照片；
图6为实施例4制备的吡咯和铜的质量比为2:1的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的扫描电子显微镜照片；
图7为实施例5制备的吡咯和铜的质量比为4:1的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，本实施例提供一种不添加吡咯的铜纳米线的制备方法
当吡咯和铜质量比为0:1时：称取0.168g的无水氯化铜分散到盛有80ml去离子水的玻璃瓶中磁力搅拌均匀；然后称取1.44g的十六烷基胺和0.172g的抗坏血酸依次加入瓶中，磁力搅拌过夜；将搅拌后的混合溶液放到油浴锅中，80℃加热反应6个小时得到反应产物；反应产物用去离子水和无水乙醇在5000r/min下离心洗涤。
图1为吡咯和铜质量比为0:1时的纳米线扫描电子显微镜照片；图2为反应产物的X射线衍射光谱图，从中可以看到反应产物为纯净的面心立方的铜纳米线。由图1和图2可知，合成的产物为纯净的铜纳米线。
实施例2，本实施例提供一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线
当吡咯和铜质量比为1:2时：称取0.168g的无水氯化铜分散到盛有80ml去离子水的玻璃瓶中，然后加入0.086ml吡咯，磁力搅拌半个小时，在本步骤中，加入吡咯使吡咯迅速与溶液中的金属铜离子配位，而磁力搅拌过程中，能够使吡咯配体和Cu2+中心离子之间的配体-金属电荷转移的相互作用，促使吡咯聚合，而将磁力搅拌的速度控制在150～350r/min，能够更有利于吡咯和金属铜离子配位。
然后称取1.44g的十六烷基胺和0.172g的抗坏血酸依次加入瓶中，磁力搅拌过夜，此步骤的主要目的就是使溶液混合均匀，进而有利于合成均匀的纳米线，而选用十六烷基胺的主要是因为十六烷基胺有助于形成结晶度良好的五边形纳米线。而选用还原性强的抗坏血酸作为还原剂，这样在合成的过程中聚吡咯包裹的铜纳米线不会发生氧化，并且原材料便宜，无毒无味。
接着将搅拌后的混合溶液放到油浴锅中，80℃加热反应6个小时得到反应产物；将反应产物用去离子水和无水乙醇在5000r/min下离心洗涤，在高温条件下，使其发生水热还原过程，把二价的铜离子还原成铜，进而生成聚吡咯包裹的铜纳米线，经研究发现，在70℃～100℃加热温度范围内，合成的聚吡咯包裹的铜纳米线的性能最佳，温度低时纳米线比较短，而且存在大量的颗粒；温度过高合成的聚吡咯包裹的铜纳米线又太粗，而转速的选择，则是在2000r/min～5000r/min的转速范围内洗涤能够更好的洗去聚吡咯包裹的铜纳米线表面的过量的十六烷基胺和其他杂质。
图3为吡咯和铜质量比为1:2时的核壳结构纳米线的扫描电子显微镜照片；
图4为其X射线衍射图像。由图3和图4可以看出我们合成了纯净的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构。
实施例3，本实施例提供一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线
当吡咯和铜质量比为1:1时：称取0.168g的无水氯化铜分散到盛有80ml去离子水的玻璃瓶中然后加入0.17ml吡咯，磁力搅拌半个小时；然后称取1.44g的十四烷基胺和0.172g的抗坏血酸依次加入瓶中，磁力搅拌过夜；将搅拌后的混合溶液放到油浴锅中，80℃加热反应6个小时得到反应产物；将反应产物用去离子水和无水乙醇在5000r/min下离心洗涤。
图5为吡咯和铜质量比为1:1时合成的聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构的扫描电子显微镜照片，由图可以看到纳米线表面的聚吡咯增加，纳米线的平均直径增大。
实施例4，本实施例提供一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线
吡咯和铜质量比为2:1时：称取0.168g的无水氯化铜分散到盛有80ml去离子水的玻璃瓶中然后加入0.35ml吡咯，磁力搅拌半个小时；然后称取1.44g的十八烷基胺和0.172g的抗坏血酸依次加入瓶中，磁力搅拌过夜；将搅拌后的混合溶液放到油浴锅中，80℃加热反应6个小时得到反应产物；将反应产物用去离子水和无水乙醇在5000r/min下离心洗涤。
图6是吡咯和铜质量比为2:1时制备的聚吡咯包裹的铜纳米线的扫描电镜图，随着吡咯的量的增加，在铜纳米线的表面可以很明显的看到附着的聚吡咯也越来越多。
实施例5，本实施例提供一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线
当吡咯和铜质量比为4:1时：称取0.168g的无水氯化铜分散到盛有80ml去离子水的玻璃瓶中然后加入0.69ml吡咯，磁力搅拌半个小时；然后称取1.44g的十六烷基胺和0.172g的抗坏血酸依次加入瓶中，磁力搅拌过夜；将搅拌后的混合溶液放到油浴锅中，80℃加热反应6个小时得到反应产物；将反应产物用去离子水和无水乙醇在5000r/min下离心洗涤。
图7为吡咯和铜质量比为4:1时制备的聚吡咯包裹的铜纳米线的扫描电镜图。在这个质量比例下，铜纳米线几乎被聚吡咯所覆盖。当吡咯的量过多时，聚吡咯不但不能减小铜纳米线之间的接触电阻，反而可能会对导电网络的导电性能有一个阻碍的作用。
以上实施例就是对铜与吡咯的质量比进行调整，吡咯和铜的质量比分别是0:1；1:2；1:1；2:1；4:1。本发明的方法切实可行，可以合成得到聚吡咯包裹铜纳米线的核壳结构，能够有效的提高铜纳米线的抗氧化性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，包括以下有效步骤：
(1)将金属铜盐分散在去离子水中，加入吡咯后磁力搅拌半个小时，得到混合均匀的溶液；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入长链烷基胺和还原剂，室温下搅拌过夜，得到混合溶液；
(3)把步骤(2)得到的混合溶液加热6～12个小时，并用去离子水和无水乙醇对反应产物离心洗涤，即可得到核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线。
2.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属铜盐为无水氯化铜，二水氯化铜，硝酸铜，硫酸铜中的至少一种物质。
3.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述吡咯与铜的质量比为1：4～1。
4.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述磁力搅拌的速度为150～350r/min。
5.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述长链烷基胺为十四烷基胺、十六烷基胺或十八烷基胺中的任意一种物质。
6.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述还原剂为葡糖糖、抗坏血酸或蔗糖。
7.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(3)中，加热温度在70℃～100℃之间。
8.根据权利要求1所述的一步法制备核壳结构的聚吡咯包裹的铜纳米线的方法，其特征在于，步骤(3)中，反应的产物用去离子水和无水乙醇在2000r/min～5000r/min下离心洗涤多次。
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