CN109648075A - 一种复合纳米材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cu@Cu0.451Mn0.84902纳米复合结构材料及其制备方法。所述Cu@Cu0.451Mn0.84902纳米复合结构材料是在合成Cu纳米线的基础上包覆Cu0.451Mn0.84902纳米片而得到的纳米复合结构材料。该制备方法首先采用水性还原法合成Cu纳米线，然后采用水热合成的方法对得到的Cu纳米线包覆Cu0.451Mn0.84902纳米片，从而得到的纳米复合结构。其中Cu纳米线为支撑作为电子和电荷的传输路径；Cu0.451Mn0.84902纳米片增加复合材料比表面积，进一步改善纳米材料Cu与Cu0.451Mn0.84902之间的协同效应，从而提高了材料的各种性能。

Description

一种复合纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，特别涉及一种 Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料及其制备方法。
背景技术
复合纳米结构材料能使材料产生一些独特的性能，比如光学吸附，电催化以及超级电容器等能源转换与存储等方面，在人们的日常生活中，工农业生产和国防建设等方面都有着广阔的应用前景，因此，探索简单，实用，可以实现工业化生产的高效复合纳米材料还是在实际应用领域有着非常重要的意义。
近些年来，纳米材料因其在复合结构方面表现出良好的性能而受到研究人员的广泛的关注，通过复合,各结构单元在性能互补的基础上,可以产生协同效应,从而赋予纳米复合材料独特的性质。纳米复合材料因其独特的结构特点,已广泛应用于人们生活的各个领域。在催化、吸附等多种应用领域,纳米复合材料在反应过程中,常常与反应物之间或自身各结构单元之间发生界面电子转移的过程,探究纳米复合材料在反应过程中界面电子的转移形式,对于调控其各种性能至关重要。但其复合结构合成工艺复杂，成本过高，且其电子和空穴的传输速率及其稳定性方面存在不足之处。因此本文合成制备一种C u@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其协同效应和复合结构保证了其具有比表面积大，电化学活性丰富等特点，因此对于提高其电子和电荷的传输性能具有重要理论和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料及其制备方法，以解决其电子和电荷传输速率的问题。
一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料,所述Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料为在纳米线的基础上进一步对其进行包覆Cu0.451Mn0.84902纳米片而得到的复合纳米材料。
制备方法如下：
(1)将氢氧化钠溶解于去离子水中，以合适的转速磁力搅拌，使溶液自然冷却到室温，然后将三水硝酸铜和乙二胺同时加入上述溶液中，并使混合溶液在一定温度下提前预热，同时磁力搅拌，最后将N2H4·H2O迅速加入上述混合溶液中，搅拌停止，保持一定温度反应2-4小时，溶液上层红色沉淀通过去离子水和无水乙醇离心并在真空烘箱中进一步干燥获得纳米线。
(2)将得到的纳米线分散在去离子水中，以合适转速磁力搅拌10分钟并且继续超声搅拌10分钟，然后在向悬浮液中加入KMnO4，并且继续搅拌10分钟，然后将混合溶液转移到高压釜中，保持一定温度反应5-10小时，自然降到室温，最后，将溶液中底部的沉淀通过用去离子水和无水乙醇离心并在真空烘箱中进一步干燥获得Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料。
所述第一步合成纳米线将三水硝酸铜和乙二胺同时加入氢氧化钠溶液后，设定预热温度为70℃，预热时间优选为2h。
所述第一步合成纳米线将N2H4·H2O迅速加入上述混合溶液后，设定反应温度为70℃，保温时间优选为2h。
所述第一步合成纳米线得到的红色沉淀需离心多次，使最后得到的纳米线保持中性条件。
所述第二步水热合成，设定反应温度为160℃，保温时间优选为5h。
所述第一步合成纳米线，氢氧化钠用量为250g；去离子水用量为400mL；三水硝酸铜用量为0.5821g；乙二胺用量为2mL；N2H4·H2O用量为200μL。所述第二步合成Cu0.451Mn0.84902纳米片，纳米线用量50mg；去离子水用量为40mL； KMnO4用量为0.0632g。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、在制备材料时，所述Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料为在合成纳米线的基础上进一步对其进行包覆得到的复合纳米结构。在合成该材料时，首先采用了简便的水性还原的方法合成Cu纳米线，然后采用水热合成的方法包覆合成Cu0.451Mn0.84902纳米片，其中Cu纳米线为支撑作为电子和电荷的传输路径；Cu0.451Mn0.84902纳米片较薄，这就有利于其复合结构增加比表面积并将进一步改善纳米材料Cu与Cu0.451Mn0.84902之间的协同效应，减少了离子和电荷的损耗，从而提高了材料的性能。
2、由于其原料易于获取，低成本，工艺简单，便于大规模的工业生产。
3、本发明步骤(1)中采用去离子水和乙醇联合离心将制得的Cu纳米线洗涤至中性提高了Cu纳米线复溶的稳定性，步骤(2)中先后通过磁力搅拌和超声搅拌，进一步使Cu纳米线体系均一稳定，来为步骤(2)后续步骤的顺利实施提供了必要条件。
附图说明
图1(a)和(b)分别为所得纳米线在低倍率和高倍率下的SEM图像， (c)和(d)分别为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料在低倍率和高倍率下的 SEM图像。
图2为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的EDS面扫图像，其中(a)为选定区域的SEM图像，(b)为Cu元素的面扫结果图，(c)为Mn元素的面扫结果图，(d)为O元素的面扫结果图。
图3为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的EDS总能谱结果图。
图4为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的XRD能谱结果图。
图5为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的阻抗图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
(1)将氢氧化钠溶解于去离子水中，以合适的转速磁力搅拌，使溶液自然冷却到室温，然后将三水硝酸铜和乙二胺同时加入上述溶液中，并使混合溶液在一定温度下提前预热，同时磁力搅拌，最后将N2H4·H2O迅速加入上述混合溶液中，搅拌停止，保持一定温度反应2-4小时，溶液上层红色沉淀通过去离子水和无水乙醇离心并在真空烘箱中进一步干燥获得纳米线。
(2)将得到的纳米线分散在去离子水中，以合适转速磁力搅拌10分钟并且继续超声搅拌10分钟，然后在向悬浮液中加入KMnO4，并且继续搅拌 10分钟，然后将混合溶液转移到高压釜中，保持一定温度反应5-10小时，自然降到室温，最后，将溶液中底部的黑色沉淀通过用去离子水和无水乙醇离心并在真空烘箱中进一步干燥获得Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料。
上述实施例1的步骤(1)中，氢氧化钠用量为250g；去离子水用量为 400mL；三水硝酸铜用量为0.5821g；乙二胺用量为2mL；N2H4·H2O用量为 200μL。步骤(2)中纳米线用量50mg；去离子水用量为40mL；KMnO4用量为 0.144g。实施例2中水热合成Cu0.451Mn0.84902纳米片时，设定反应温度为160℃，保温时间为5h。
图1(a)和(b)为Cu纳米线的低倍率和高倍率SEM图像，(c)和(d) Cu@Cu0.451Mn0.84902复合材料的低倍率和高倍率SEM图像。在SEM中可以看出，Cu纳米线合成均匀，直径大约在90-120nm左右。合成Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料为Cu纳米线为支撑作为电子和电荷的传输路径；Cu0.451Mn0.84902纳米片较薄，这就有利于其复合结构增加比表面积并将进一步改善纳米材料 Cu与Cu0.451Mn0.84902之间的协同效应，减少了离子和电荷的损耗，从而提高了材料的性能。
图2为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的EDS对Cu、Mn和O三种元素面扫的结果。可以看出Cu,Mn,O元素均匀分布在Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米结构上。
图3为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的EDS总能谱图像。可以看出 O的元素含量最高，其次分别是Cu,Mn元素。从中可以看出 Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料仍然以Cu为支撑作为电子和电荷的传输路径，Cu跟Mn元素之间具有较好的协同作用。
图4为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的XRD能谱图。通过XRD能谱图可以确定元素所组合而成的物质，并且进一步明确了其纳米复合结构为 Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料
图5为Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料的阻抗图。通过在0.5M KOH 溶液中与单独的铜片做对比，证明Cu@Cu0.451Mn0.84902复合材料的电子电荷传输速率得到有效提高。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，所述Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料是在Cu纳米线的基础上进一步对其进行包覆Cu0.451Mn0.84902纳米片而得到的Cu@Cu0.451Mn0.84902纳米复合结构。
所述Cu@Cu0.451Mn0.84902纳米复合结构由以下步骤制得：
(1)将氢氧化钠溶解于去离子水中，并使溶液自然冷却到室温，然后将三水硝酸铜和乙二胺同时加入上述溶液中，经预热后在磁力搅拌下，加入N2H4·H2O，停止搅拌，反应2-4小时后，先后经过去离子水和无水乙醇离心，取红色沉淀在真空烘箱中进一步干燥来获得Cu纳米线；
(2)将步骤(1)得到的Cu纳米线分散在去离子水中，磁力搅拌10分钟，再超声搅拌10分钟，然后再向悬浮液中加入KMnO4，并且继续搅拌10分钟，然后将混合溶液转移到高压釜中，反应5-10小时，自然降到室温，最后，将溶液中底部的沉淀通过用去离子水和无水乙醇离心并在真空烘箱中进一步干燥获得Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，所述步骤(1)中合成Cu纳米线时，将三水硝酸铜和乙二胺同时加入氢氧化钠溶液后，预热温度为70℃，预热时间为2h。
3.根据权利要求1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，所述步骤(1)中合成Cu纳米线时，加入N2H4·H2O后的反应温度为70℃。
4.根据权利要求1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，所述步骤(1)中合成Cu纳米线得到的红色沉淀需依次经去离子水和乙醇离心多次，直至得到的Cu纳米线pH为中性。
5.根据权利要求1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，所述步骤(2)中高压釜中反应温度为160℃。
6.权利要求1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料,其特征在于,所述步骤(1)中合成Cu纳米线过程中，配置氢氧化钠溶液时，氢氧化钠用量为250g，去离子水用量为400mL；水性还原时，三水硝酸铜用量为0.5821g，乙二胺用量为2mL；，N2H4·H2O用量为200μL；所述步骤(2)中合成Cu0.451Mn0.84902纳米片过程中，水热反应时，所需Cu纳米线用量50mg，去离子水用量为40mL，KMnO4用量为0.0632g。
7.权利要求书1所述一种Cu@Cu0.451Mn0.84902复合纳米材料，其特征在于，应用于超级电容器，电催化领域，光催化领域或气敏传感领域，用来提高电子或电荷传输速率。
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