CN114147210B - 一种碳包银纳米线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于银纳米线制备技术领域，具体涉及一种碳包银纳米线。所述碳包银纳米线包括位于芯层的银纳米线和包覆在所述芯层表面的纳米碳层；所述银纳米线的直径为10‑2000nm，长度为1‑100μm；所述纳米碳层的厚度为1‑10nm。本发明的碳包银纳米线，通过在银纳米线表面包覆纳米碳层，能够很好地防止纳米银的氧化和银迁移效应的发生，提高了银纳米线的稳定性，保证了相关银纳米线器件的可靠性；并且，本发明的碳包银纳米线形状均匀，包覆稳定，具有良好的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于银纳米线制备技术领域，具体涉及一种碳包银纳米线。
背景技术
近年来，一维纳米线材料，由于其独特的力学，电学，热学，光学等性能，被广泛应用于能源、催化、生物、电子等领域。其中，金属银纳米线因其出色的导电导热性能和力学性能，引起了人们的广泛研究。目前制备银纳米线的方法主要是以多元醇法为代表的湿化学还原法，其不可避免地会引入各种化学试剂，诸如有机醇、PVP、卤/溴化物等，且其反应工艺复杂、成本高，同时环境友好性较差。
银纳米线在使用过程中，由于氧化和银迁移效应等原因会导致其稳定性差，影响相关器件的可靠性，目前常用的解决方法在银纳米线合成后，对其表面进行包覆，如石墨烯，氧化锌等，但是这个过程会增加工艺的复杂性同时导致制备成本增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种碳包银纳米线，该碳包银纳米线以生物质为原料，通过一步水热反应制得，工艺简单、成本低廉、绿色环保。
本发明提供一种碳包银纳米线，包括位于芯层的银纳米线和包覆在所述芯层表面的纳米碳层；所述银纳米线的直径为10-2000nm，长度为1-100μm；所述纳米碳层的厚度为1-10nm。
进一步地，所述碳包银纳米线以富含植物纤维的生物质和可溶性银盐为原料，通过一步水热反应得到。
进一步地，所述生物质选自高粱、竹子、荷叶、荷叶秆、玉米秆、麦秆、稻谷壳、稻谷秆、魔芋秆中的一种或多种。
进一步地，本发明提供的碳包银纳米线，采用以下方法制备：
(1)收集生物质，洗涤烘干；
(2)配制0.01-2.0mg/mL银盐水溶液；
(3)将生物质与银盐水溶液转移至反应釜，进行水热反应；
(4)自然降温，分离反应产物，洗涤烘干，即得碳包银纳米线。
优选地，所述银盐水溶液的浓度为0.25-1.25mg/mL。
进一步地，步骤(1)中所述洗涤步骤依次包括水洗和乙醇洗，所述烘干温度是40-90℃；优选地，所述烘干温度为60-80℃。
进一步地，步骤(2)所述银盐选自硝酸银、乙酸银、硫酸银中的一种或多种。
进一步地，步骤(3)中生物质与银盐的质量比为0.1-10；优选地，所述生物质与银盐的质量比为0.1-1。
进一步地，步骤(3)中水热反应温度为100-600℃，反应时间为1-12h；优选地，所述水热反应温度为300-600℃，反应时间为8-12h。
进一步地，步骤(3)水热反应在体积为10mL-50L的反应釜中进行。
水热反应中，富含植物纤维的生物质水解会产生小分子物质，其中果糖葡萄糖等单糖或二糖作为水热反应的还原剂，含有羟基、醛基、或酮基的小分子物质诸如糠醛，黄酮及其衍生物等作为水热反应的保护剂；在水热反应前期，银离子含量较高，该阶段以小分子还原银离子反应为主，即银离子在植物纤维上沉积形成银原子，在保护剂和一维结构植物纤维模板的作用下，形成一维银纳米线；随着反应地进一步进行，银离子含量减少，而生物质水解释放小分子的过程还在持续，此阶段以小分子碳化反应为主，即在银纳米线的表面，会进一步形成碳包覆层，最终得到碳包银纳米线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的碳包银纳米线，通过在银纳米线表面包覆纳米碳层，能够很好地防止纳米银的氧化和银迁移效应的发生，提高了银纳米线的稳定性，保证了相关银纳米线器件的可靠性；
2.本发明的碳包银纳米线，以富含植物纤维的生物质为原料，利用植物纤维中的纤维素和其他营养物质水解产生的小分子作为还原剂和保护剂，使得银离子还原为纳米银晶粒；植物纤维具有一维线性结构，能够起到模板作用，导向纳米银晶粒形成高长径比的银纳米线；水热反应后期，生物质水解产生的小分子发生碳化，会在银纳米线表面形成均匀稳定的碳包覆层，从而保护纳米银不被氧化。
3.本发明的碳包银纳米线的制备方法，采用一步水热反应，无需添加其他有机试剂，工艺简单，成本低廉，环境友好，稳定性高。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1-3分别为本发明实施例1制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图4-6分别为本发明实施例2制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图7-9分别为本发明实施例3制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图10-12分别为本发明实施例4制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图13-15分别为本发明实施例5制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图16-18分别为本发明实施例6制备得到的碳包银纳米线的扫描电镜图和透射电镜图；
图19-21分别为本发明对比例1制备得到的产物的扫描电镜图和透射电镜图；
图22为本发明对比例2制备得到的产物的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)收集高粱，依次使用水、乙醇洗涤，置于45℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取硫酸银2mg，溶于8mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到0.25mg/mL硫酸银溶液；
(3)将步骤(2)中硫酸银溶液转移至10mL反应釜中，加入2mg步骤(1)中干燥过的高粱，将反应釜密闭，100℃下反应8h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图1-3所示。
通过使用扫描电子显微镜(SEM)观察碳包银纳米线的形状，参见图1所示，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀，银纳米线的直径为20-40nm，长度为4-7μm；
通过使用透射电子显微镜(TEM)观察产物，参见图2所示，银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，纳米碳层的厚度为4-5nm，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
实施例2
(1)收集竹子，依次使用水、乙醇洗涤，置于60℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取硝酸银150mg，溶于160mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到0.94mg/mL硝酸银溶液；
(3)将步骤(2)中硝酸银溶液转移至200mL反应釜中，加入16mg步骤(1)中干燥过的竹子，将反应釜密闭，150℃下反应10h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图4-6所示。
参照实施例1的测试方法观察碳包银纳米线的形状，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀；银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
实施例3
(1)收集荷叶，依次使用水、乙醇洗涤，置于80℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取硫酸银500mg，溶于400mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到1.25mg/mL硫酸银溶液；
(3)将步骤(2)中硫酸银溶液转移至600mL反应釜中，加入120mg步骤(1)中干燥过的荷叶，将反应釜密闭，200℃下反应12h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图7-9所示。
参照实施例1的测试方法观察碳包银纳米线的形状，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀；银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
实施例4
(1)收集荷叶秆，依次使用水、乙醇洗涤，置于80℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取乙酸银800mg，溶于800mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到1.0mg/mL乙酸银溶液；
(3)将步骤(2)中乙酸银溶液转移至1000mL反应釜中，加入300mg步骤(1)中干燥过的荷叶秆，将反应釜密闭，300℃下反应5h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图10-12所示。
参照实施例1的测试方法观察碳包银纳米线的形状，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀；银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
实施例5
(1)收集玉米秆，依次使用水、乙醇洗涤，置于90℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取乙酸银2000mg，溶于1600mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到1.25mg/mL乙酸银溶液；
(3)将步骤(2)中乙酸银溶液转移至2L反应釜中，加入800mg步骤(1)中干燥过的玉米秆，将反应釜密闭，600℃下反应8h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图13-15所示。
参照实施例1的测试方法观察碳包银纳米线的形状，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀；银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
实施例6
(1)收集麦秆，切片，依次使用水、乙醇洗涤，置于80℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取乙酸银8000mg，溶于12L水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到0.67mg/mL乙酸银溶液；
(3)将步骤(2)中乙酸银溶液转移至20L反应釜中，加入50g步骤(1)中干燥过的麦秆，将反应釜密闭，600℃下反应12h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得到碳包银纳米线。其SEM和TEM表征图如图16-18所示。
参照实施例1的测试方法观察碳包银纳米线的形状，所述碳包银纳米线均为长径比较高的线性结构，形状均匀；银纳米线表面均匀包裹有纳米碳层，即产物为均匀包覆的碳包银纳米线。
对比例1
(1)收集苹果，依次使用水、乙醇洗涤，置于45℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取硫酸银2mg，溶于8mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到0.25mg/mL硫酸银溶液；
(3)将步骤(2)中硫酸银溶液转移至10mL反应釜中，加入2mg步骤(1)中干燥过的苹果，将反应釜密闭，100℃下反应8h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得产物。其SEM和TEM表征图如图19-21所示。
参照实施例1的测试方法观察产物的形状，所述产物为银纳米线，结晶外表面处未见明显的非晶结构，即不存在碳层的包覆。
对比例2
(1)收集银杏叶，依次使用水、乙醇洗涤，置于45℃烘箱中过夜烘干；
(2)称取硫酸银2mg，溶于8mL水中，充分搅拌使其完全溶解，配制得到0.25mg/mL硫酸银溶液；
(3)将步骤(2)中硫酸银溶液转移至10mL反应釜中，加入2mg步骤(1)中干燥过的银杏叶，将反应釜密闭，100℃下反应8h；
(4)待反应结束自然降温后，收集反应产物，离心洗涤烘干，即得产物。其SEM表征图如图22所示。
参照实施例1的测试方法观察产物的形状，所述产物银纳米颗粒或块体，不具有线性结构。
综上所述，本发明采用富含植物纤维的生物质作为纳米银的还原剂、保护剂以及纳米碳的前驱体，通过一步水热反应即可制得形状均匀、稳定包覆的碳包银纳米线。本发明制备的碳包覆的银纳米线，能够很好地解决纳米银氧化及银迁移问题，具有良好的应用价值，并且本发明碳包银纳米线制备工艺简单、成本低廉、绿色环保，具有良好地经济价值。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (4)
1.一种碳包银纳米线的制备方法，其特征在于，所述碳包银纳米线以富含植物纤维的生物质和可溶性银盐为原料，通过一步水热反应得到；具体包括如下步骤：
（1）收集生物质，洗涤烘干；
（2）配制0.01-2.0mg/mL银盐水溶液；
（3）将生物质与银盐水溶液转移至反应釜，进行水热反应；
（4）自然降温，分离反应产物，洗涤烘干，即得碳包银纳米线；
所述生物质选自高粱、竹子、荷叶、荷叶秆、玉米秆、麦秆、稻谷壳、稻谷秆、魔芋秆中的一种或多种；
步骤（3）中生物质与银盐的质量比为0.1-10；水热反应温度为300-600℃，反应时间为8-12h；
所述碳包银纳米线包括位于芯层的银纳米线和包覆在所述芯层表面的纳米碳层；所述银纳米线的直径为10-2000nm，长度为1-100μm；所述纳米碳层的厚度为1-10nm。
2.根据权利要求1所述的碳包银纳米线的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述洗涤步骤依次包括水洗和乙醇洗，所述烘干温度是40-90℃。
3.根据权利要求1所述的碳包银纳米线的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述银盐选自硝酸银、乙酸银、硫酸银中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳包银纳米线的制备方法，其特征在于，步骤（3）水热反应在体积为10mL-50L的反应釜中进行。
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