氧化还原法制备纳米铜研究报告

纳米铜粉制备工艺研究报告2011年10月18日，欧盟定义纳米材料是指一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。

这种材料由于量子尺寸效应，表面效应，体积效应等特性而具备特殊的性能。

近些年来，随着金属及其合金制备方法的提高，越来越纯及越来越小的金属颗粒被制备出来，纳米金属的研究迅速发展。

研究发现，纳米金属材料具有较好的机械性能如屈服强度、拉伸强度等[1]，以及优异的电学性能，磁学性能，光学性能等等。

1铜在材料方面的应用1.1 氧化铜的应用铜是与人类关系非常密切的有色金属，铜是唯一能大量天然产出的金属，存在于各种矿石中；它在有色金属材料的消费中仅次于铝。

其氧化物—CuO有着广泛的应用，除作为制铜盐的原料外，它还广泛应用于其他领域：如在催化领域，它对高氯酸钱的分解，一氧化碳、乙醇、乙酸乙醋以及甲苯的完全氧化都具有较高的催化活性，且对前4种反应的催化活性均排在金属氧化物之前列；在传感器方面，用CuO作传感器的包覆膜,能够大大提高传感器对CO的选择性和灵敏度；近年来，由于含铜氧化物在高温超导领域的异常特性，使CuO又成为重要的模型化合物，用于解释复杂氧化物的光谱特征。

此外，它还用于玻璃、陶瓷的着色剂，油漆的防皱以及有机分析中测定化合物含碳量的助氧剂,甚至有望用作汽车尾气的净化材料[2]。

1.2纳米铜的应用由于纳米铜粉具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及介电限域效应等特点，因此它的物理化学性质也与传统材料大不相同。

自1995年IBM的C K HU等指出纳米铜粉由于其低电阻可以用于电子连接后，其性质引起了电子界的很大兴趣。

纳米铜粉作为重要的工业原料，代替贵金属粉末在制作高级润滑油、导电浆料、高效催化剂等方面可大大降低工业成本，有着广阔的应用前景。

在镍氢电池的负极中添加3-10wt.%型号VK-Cu01纳米氧化铜，就可以有效提高电池的比能量和比功率，提高电池的负极性能，还降低了负极电池的质量。

纳米氧化铜（VK-Cu01，99.9%）可作为常温脱硫剂的唯一组分。

纳米氧化铜在常温25-30℃条件下脱硫精度高，硫容高达18.3%-28.7%。

比同等条件下的分析纯氧化铜硫容的4.65倍，是纳米氧化锌硫容的4-8倍，是首选的常温脱硫剂。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员马克肯在润滑剂和制冷剂的标准混合物中加入适量的不同纳米粒子，发现在普通聚酯润滑剂上充分分散直径为30nm的氧化铜VK-Cu01粒子，并与普通的制冷剂（R134a）混合，可把制冷器的热传递提高50-275%。

M.M. Rashad等人[4]利用工业废料，采用水热法制得立方铁酸铜合金（CuFe2O4），结果表明在特定的温度条件下，其催化效率达到了95.9%，饱和磁化率Ms为83.7 emu/g4。

张熙凤等人[5]以表面活性剂为改性剂，抗坏血酸为还原剂，辅助微波的方法，以硫酸铜作为原料，制得了针状纳米铜，将该纳米铜添加到环氧树脂中显示出了很好的导电性能。

1.3纳米铜在生物材料方面的应用美国学者报道了纳米制造技术在制造通过荧光示踪剂和抗体来识别生物分子的分光镜式纤维探测器上的应用，并制备出了基于聚合物/聚合物染色多层结构的荧光探测器和基于聚合物/金纳米颗粒/抗原体的细胞质基因探测器，这两个探测器系统的性能在有限范围内相对于目标参照物都显示出精确而灵敏的反应[6]。

S. Ashok Kumar等人[3]利用电化学的方法将纳米氧化铜沉积在ZnO薄膜上，制成能够选择性探测D(+)-葡萄糖的传感器Cu-NPs/ZnO复合电极，该电极具有较高的灵敏度，稳定性，回复性，选择性及快速响应性等。

1968 年智利的zipper 在小动物实验中发现铜、锌等金属盐有明显的抗生育作用。

1969 年Tatum 和Zipper 合作，比较惰性T 形宫内节育器（IUD）和带铜丝T 形IUD 的临床效果，证明铜确实能增加避孕效果且铜的表而积与避孕效果之间存在肯定的关系，利用纳米金属铜/聚合物基复合材料来制作IUD，其中的铜纳米颗粒在宫腔液中除产生具有避孕作用的可溶Cu2+外，由于纳米金属铜颗粒的尺寸效应，它的其它主要腐蚀产物之一的Cu2O也必然处于纳米尺度，因其具有巨大的表面积所产生额外的表面能，使Cu2O 处于非常不稳定的状态，进而更有效地转化成Cu2+。

另外，由纳米金属/聚合物复合材料制成的IUD，不存在因金属铜的断裂和脱落而不得不提前取出等问题，可以最大限度地利用金属铜[7]。

正因为这两方面的原因，金属铜的有效利用率可以得到极大的提高。

在使用年限不变的情况下，由纳米金属/聚合物复合材料制作IUD，由于金属铜的有效利用率的大幅提高，可以大大地减轻含铜IUD 的重量，从而减轻含铜IUD 带来的某些副作用；在含铜IUD 中金属铜的含量不改变的情况下，由纳米金属/聚合物复合材料制成的IUD，由于金属铜的有效利用率的大幅提高，它的使用年限也将比现在的含铜IUD 大大延长。

2纳米铜的制备方法一般要求纳米铜粉产物纯度高,粒径分布均匀且较窄,颗粒未团聚，表面未氧化，结晶好，超细铜粉的制备方法大致可以分为物理法、物理化学结合法和化学法，采用不同的工艺条件可以制备出具有较大差异的铜粉。

2.1 物理法球磨法：利用介质和物料间相互研磨和冲击，并辅以助磨剂或大功率超声粉碎来达到微粒的细微化[8]。

谢中亚等人[9]采用高能行星球磨机对粗颗粒铜进行研磨，在不同的球磨参数下，通过磨球的撞击使粉粒变形、焊合、断裂等过程不断地重复进行，随着时间的延长，颗粒不断细化，得到了超细铜纳米颗粒。

等离子体法：等离子体法的反应速度快、生产区域大、操作简单，几乎可以制备任何纯金属超细粉。

直流电弧等离子体法(DC) 、高频等离子体法(RF)及混合等离子体法(Hybridplasma) 。

DC法在高温条件下操作，电极容易熔化而污染产物；RF法的能量利用率低,稳定性差;混合等离子体法将前两法结合起来,既有较大的等离子体空间，又有较高的生产效率，产品纯度高，方法稳定性好H. Suematsu 等人[10]采用金属丝放电法（PWD），利用激光产生的瞬时高温使粗铜蒸发，然后冷凝，生成了铜纳米线，尺寸大概为50个纳米。

γ射线辐照法：γ射线辐照基本原理是将铜盐在γ射线下还原成铜粒子。

γ射线使溶液生成溶剂化电子，不需要使用还原剂就可还原铜离子,经成核生长形成铜颗粒。

γ射线的优点是在常温常压下易于操作，颗粒生成的同时进行保护，可以防止颗粒团聚,可规模化生产朱英杰等人[11]以CuSO4溶液为制备纳米铜原料，以十二烷基硫酸钠为表面活性剂，加入EDTA二纳盐形成稳定的络合物，然后在Co源中辐照，水热处理数小时后即可得到金属纳米铜粉。

2.2化学法溶胶-凝胶法：其过程是将金属有机醇盐或无机盐溶液水解，使溶质聚合成溶胶后再凝胶固化，干燥后经磨细、煅烧得到纳米粒子。

R. Thinesh Kumar，P. Suresh 等人[12]采用一种称之为“Pechini”的电输运的改进的溶胶-凝胶方法来制备纳米铜铝尖晶石氧化物，其过程：将硝酸铜及硝酸铝溶解在蒸馏水中，加入柠檬酸作为凝胶剂，室温下进行搅拌，调整溶液PH值，600℃下焙烧，900℃下进行烧结，得到粒径为20-30nm的晶粒。

电解法：制备铜粉一种比较成熟且工业生产铜粉的常见方法。

制备过程一般是间隔10～20min将沉积在阴极的铜粉刮掉，以避免颗粒长大。

另外,还需经过球磨、分筛等工艺才能最终得到铜粉。

超声电解法是改进的电解法，利用超声振动和空化作用产生高压或射流使沉积的铜颗粒脱离阴极表面，并以微小颗粒悬浮于电解液中。

Ting-Kai Huang等[13]提到CuCl2溶解到CTAC及HNO3中，290 k温度下水浴加热，取溶液用碳电极中间加入直流电压电解，沿着碳电极就长出了宽为50nm、厚度为20nm、长度为10μm铜纳米带。

微乳法：两种互不相溶的溶液在表面活性剂作用下形成微乳状液，反应物在其中反应生成固相产物,即双亲分子将连续介质分割成微小空间形成“微反应器”，其成核、晶体生长、聚结、团聚等过程受到微反应器的限制，从而控制了纳米粒子的粒径，同时表面活性剂包膜也解决了纳米微粒团聚的问题,最终形成了包裹有一层表面活性剂的有一定凝聚态结构和形态的纳米粒子。

2.3 物理化学法采用物理和化学相结合的方法，集物理方法和化学方法于一身，大量制备高纯铜及其合金纳米颗粒。

机械化学合成法：F. Shehata等[14]采用两种不同路线合成了铜铝纳米复合材料,结论说明第三相更有助于合成颗粒更小的纳米复合材料。

第一种是将铜加入到硝酸铝溶剂中，另外一种方法是将铜加入到硝酸铝及氢氧化铵的混合溶剂中，两种方法都是将混合液加热得到固体粉末，然后进行球磨，即可得到氧化铜及氧化铝的纳米材料。

以氢气作为还原气氛还原氧化铜即可得到纳米铜颗粒。

作者还进一步研究了将氧化铜及氧化铝在950℃，600Mpa的条件下进行烧结，第一种方法得到的CuAlO2尖晶石的尺寸为50nm,第二种方法得到的颗粒尺寸为30nm。

另外Elina Manova等人[15]用二步法即共沉淀和机械球磨的方法制得了立方型铁钠米酸铜CuFe粉末。

雾化法：通过将金属熔融后压入喷嘴，再利用压缩空气、惰性气体或水把熔融的金属吹散成极小的金属颗粒珠。

美国等工业发达国家已逐步采用雾化氧化还原技术生产低松装密度铜粉来取代电解法生产铜粉,所生产的铜粉既有电解铜粉低的松装密度，又有水雾化铜粉的良好流动性。

3液相还原法制备纳米铜化学方法合成纳米材料的方法之一，其原理是将还原剂加入到含铜盐的溶液中,在一定条件下，发生氧化还原反应,将铜离子还原成铜颗粒。

常用的还原剂有甲醛、抗坏血酸、次亚磷酸钠、硼氢化钠/钾、水合肼、锌粉等。

根据还原剂的不同，可分类为甲醛还原法、水合肼还原法、次亚磷酸钠还原法、抗坏血酸还原法、葡萄糖预还原法、锌粉还原法等，下面就其中几种制备方法作出总结。

3．1硼氢化钾还原法早在2004年，国内就有人提到利用硼氢化钾化学还原法制得的铜粉分散性好、呈类球型、粒径约20nm[16]，其实验方法如下：利用一定浓度的CuSO4溶液，分别配成含络合剂EDTA的溶液A1，A2含EDTA 及分散剂NP，按摩尔比n(KBH4):n(KOH)为1：8及1：10的比例分别配制KBH4和KOH的混合B1及B2，将溶液A1在一定时间内分别滴人B1和B2溶液中,并强烈搅拌。

同样的方法将A2滴人B1和B2溶液中。

将上述所得到的微粒经洗涤和真空干燥，然后将溶液A1和A2分别与B2反应所产生的两种微粒浸人乙醇并经超声波分散，经透射电镜观察形貌及料径可知，含NP后制得的铜粉呈类球形、分散性较好、粒度均匀、粒径为20nm左右。