CN1817785A - 氧化铜纳米管阵列的制备方法 - Google Patents
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氧化铜纳米管阵列的制备方法，其特征是首先以氢氧化钠、过硫酸铵和铜箔为原料，以水为溶剂，于0－30℃下反应，制备出氢氧化铜纳米管阵列；进而以氢氧化铜纳米管阵列为前驱体，通过在惰性气氛保护下或是在真空状态中加热获得氧化铜纳米管阵列。本发明方法简单、条件温和、成本低廉、可大面积生产出粗细均匀、整齐有序的CuO纳米管结构阵列。
Description
技术领域：
本发明涉及氧化铜纳米管阵列的制备方法。
背景技术
利用物理和化学的方法生长各种纳米尺度的物质单元，以这种物质单元作基元按一定的规律排列起来，形成一维、二维、三维的阵列，组成一个纳米结构体系，它不仅具有纳米微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等，还存在由纳米结构组成引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等。其次这种纳米结构体系很容易通过外场(电、磁、光及辐射场等)实现对其性能的表征，这就是纳米器件的设计基础。
纳米结构阵列的制备与研究将为材料的小型化、智能化、元件的高集成、高密集存储和超快传输提供广阔的应用空间。纳米阵列激光器是21世纪超微型激光器的重要发展方向。此外，纳米结构阵列体系在滤光器件、传感器及电容器等方面亦有应用前景。可见纳米结构阵列体系不仅便于进行基础研究，而且是实现在原子、分子水平上设计和制造微电子器件的基础，是一种很有潜力的新型功能材料。
CuO是优良的半导体材料，在光热、光电、传感器、超导、太阳能转换、锂离子充电电池和有机合成催化剂等方面都有着广泛的应用。又由于纳米管特殊的光学、电学、磁学等性质，使CuO纳米管阵列的制备与研究具有重要的意义。目前CuO纳米管结构及其阵列合成方法的报道还不是很多，英国《化学通讯》(Chemical Communications)(2003年，第15卷，第1884-1885页)报道了采用添加表面活性剂而制得CuO纳米管的方法，但这种纳米管分布零乱、长短不一、生长各异。而美国的《化学材料》(Chemistry Material)(2004年，第16(26)卷，第5559-5561页)报道了依赖于模板制得CuO纳米管阵列的合成方法，以复杂的金属有机化合物Cu(tmhd)2(Htmhd＝2，2，6，6-tetramethy1-3，5-heptandione)为铜源，采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)，于400℃、氧气分压为200帕(Pa)下，制得直径为250纳米、长度为1微米、生长于氧化铝模板中的CuO纳米管阵列。日本的《化学通报》(Chemistry Letters)(2004年，第33(9)卷，第1128-1129页)也报道了用类似的方法，以金属有机化合物Cu(acac)2为铜源，于330℃热解，在氧化铝模板中制得相似的CuO纳米管阵列。依赖于模板使这些方法的应用受到限制，当纳米管阵列从模板中移除时极其容易遭到破坏。
发明内容：
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种无需依赖于模板、可实现纳米管粗细均匀、阵列整齐而有序地可控生长的氧化铜纳米管阵列的制备方法。
本发明氧化铜纳米管阵列制备方法的特点是按如下步骤进行：
a、以氢氧化钠、过硫酸铵和铜箔为原料，以水为溶剂，于0-30℃下反应制备氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米管阵列；
b、以氢氧化铜纳米管阵列为前驱体，通过在惰性气氛保护下或是在真空状态中加热获得氧化铜(CuO)纳米管阵列。
本发明方法的特点也在于：
所述步骤a是制备浓度为2.0-3.0摩尔/升的氢氧化钠溶液、取该氢氧化钠溶液20-30毫升，向其中投入铜箔，再注入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵溶液2.0-4.0毫升，氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液的摩尔配比为20-30∶1，于0-5℃的温度条件下反应，经5-25小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物，将所得产物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，自然晾干即得前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
本发明方法的特点也在于：
所述步骤a是制备浓度为2.0-3.0摩尔/升的氢氧化钠溶液、取该氢氧化钠溶液20-30毫升，向其中投入铜箔，再注入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵溶液2.0-4.0毫升，氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液的摩尔配比为20-30∶1，于常温下反应，经0.5-5.0小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物，将所得产物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，自然晾干即得前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
本发明方法的特点也在于：
所述步骤b是在惰性气氛保护的条件下，加热氢氧化铜纳米管阵列，使之脱水得CuO纳米管阵列，或是在真空烘箱中加热氢氧化铜纳米管阵列使之脱水得CuO纳米管阵列。
本发明方法的特点也在于：
对所述氢氧化铜纳米管阵列的加热过程依序为：在60℃下预热2小时，升温至120℃加热4小时，在180℃下保持6小时，停止加热，自然冷却至室温即得CuO纳米管阵列。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用了无模板的方法合成出氧化铜纳米管阵列。
2、本发明方法实现了纳米管粗细均匀、阵列整齐而有序的可控生长，为将它们应用于纳米器件打下基础。
3、本发明方法简单，相对于已报道的方法来说，本方法反应条件对温度、原料等的要求容易实现，成本低廉，可直接在常压下于水溶液体系中得到前驱体Cu(OH)2纳米管阵列，并在此基础上转化为CuO纳米管阵列。
附图说明
图1为本发明X射线衍射图XRD。
图中，a为低温下制备的前驱体Cu(OH)2纳米管阵列；b为在管式炉中加热该前驱体Cu(OH)2纳米管阵列、制得的CuO纳米管阵列。(带“·”的衍射峰为铜箔基底)
图2为本发明扫描电镜图SEM。
图中，a(低放大倍数)、b(高放大倍数)为低温下制备的前驱体Cu(OH)2纳米管阵列；c(低放大倍数)、d(高放大倍数)为在管式炉中加热该前驱体Cu(OH)2纳米管阵列、制得的CuO纳米管阵列。
图3本发明不同反应条件下的扫描电镜图SEM。
图中a(低放大倍数)、b(高放大倍数)为常温下制备的前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述：
实施例1：低温下制备氢氧化铜纳米管阵列
按如下步骤操作：
1、制备大小为1.5～1.0×1.5～0.3×0.3立方厘米的铜箔，用丙酮或稀硝酸在超声清洗器中清洗，以除去铜箔表面的杂质；
2、分别配制浓度为2.0-3.0摩尔/升的氢氧化钠溶液，以及浓度为1摩尔/升的过硫酸铵溶液；
3、取所配制的氢氧化钠溶液20-30毫升，向其中投入配好的铜箔，再注入所备的过硫酸铵溶液2.0-4.0毫升，使氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液的摩尔配比为20-30∶1；
4、于0-5℃的温度条件下反应，经5-25小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物；
5、将所得产物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，自然晾干即得前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
本实施例中，步骤4是以0℃的低温条件下进行反应，经X射线衍射XRD和扫描电子显微镜SEM分析表明，在0℃条件下反应所得产物为正交晶系的Cu(OH)2(图1中a所示)，其整体形貌为整齐均匀的纳米管阵列，管直径在60-500nm之间，长度在2-3微米左右，如图2中a(低放大倍数)、b(高放大倍数)所示。
实施例2：常温下制备氢氧化铜纳米管阵列
按如下步骤操作：
1、同实施例1中步骤1；
2、同实施例1中步骤2；
3、同实施例1中步骤3；
4、于常温下反应，经0.5-5.0小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物；
5、同实施例1中步骤5。
与实施例1所不同的是，本实施例在步骤4中，是以常温为反应条件，常温反应所得产物也为正交晶系的Cu(OH)2，以X射线衍射XRD分析得到验证。图3中a(低放大倍数)、b(高放大倍数)所示为扫描电子显微镜SEM图，分析表明常温条件下制得的Cu(OH)2纳米管长度大多为5-10微米左右，管直径在50-500nm之间，生长方向各异，整体形貌长短不一，没有低温下制备的氢氧化铜纳米管阵列整齐。
实施例3：制备氧化铜纳米管阵列
将实施例1所制得的氢氧化铜纳米管阵列置于管式炉中，由于该阵列生长在铜箔基底上，为了避免基底的氧化，需要在保护气氛下对生长在其上的阵列进行加热转化。具体操作是在常温、常压下，向管式炉中以0.02m3/h左右的流量缓慢通入氮气15-30分钟，排除管式炉中的空气后于60℃加热2小时，进行预热，以避免温度升得太快而使纳米管管壁断裂；然后升到120℃加热4小时，完成Cu(OH)2纳米管阵列向CuO纳米管阵列的转变，再在180℃下保持6小时，以增强CuO纳米管的结晶度，随后停止加热，在自然状态下冷却至室温，关断氮气源即得CuO纳米管阵列。
经X射线衍射XRD和扫描电子显微镜SEM分析表明所得产物为单斜晶系的CuO(图1中b所示)，其整体形貌为整齐均匀的纳米管阵列，管直径在60-500nm之间，长度在2-3微米左右，如图2中c(低放大倍数)、d(高放大倍数)所示。
实施例4：制备氧化铜纳米管阵列的另一方式：
将实施例1所得的Cu(OH)2纳米管阵列置于真空烘箱中，表压为-0.05至-0.1兆帕(MPa)，按实施例3同样的升温程序进行加热处理，获得CuO纳米管阵列，并以X射线衍射XRD和扫描电子显微镜SEM分析得到验证。
Claims (5)
1、氧化铜纳米管阵列的制备方法，其特征是按如下步骤进行：
a、以氢氧化钠、过硫酸铵和铜箔为原料，以水为溶剂，于0-30℃下反应制备氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米管阵列；
b、以氢氧化铜纳米管阵列为前驱体，通过在惰性气氛保护下或是在真空状态中加热获得氧化铜(CuO)纳米管阵列。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征是：
所述步骤a是制备浓度为2.0-3.0摩尔/升的氢氧化钠溶液、取该氢氧化钠溶液20-30毫升，向其中投入铜箔，再注入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵溶液2.0-4.0毫升，氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液的摩尔配比为20-30∶1，于0-5℃的温度条件下反应，经5-25小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物，将所得产物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，自然晾干即得前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征是：
所述步骤a是制备浓度为2.0-3.0摩尔/升的氢氧化钠溶液、取该氢氧化钠溶液20-30毫升，向其中投入铜箔，再注入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵溶液2.0-4.0毫升，氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液的摩尔配比为20-30∶1，于常温下反应，经0.5-5.0小时，获得以铜箔为基底的生长有Cu(OH)2纳米管阵列的产物，将所得产物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，自然晾干即得前驱体Cu(OH)2纳米管阵列。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征是：
所述步骤b是在惰性气氛保护的条件下，加热氢氧化铜纳米管阵列，使之脱水得CuO纳米管阵列，或是在真空烘箱中加热氢氧化铜纳米管阵列使之脱水得CuO纳米管阵列。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征是对所述氢氧化铜纳米管阵列的加热过程依序为：在60℃下预热2小时，升温至120℃加热4小时，在180℃下保持6小时，停止加热，自然冷却至室温即得CuO纳米管阵列。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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