纳米氧化亚铜的制备及结构表征

实验报告

纳米氧化亚铜的制备及结构表征

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2019年6月13日

一、实验目的

1. 了解实验机理和纳米氧化亚铜材料的相关知识。

2. 制备纳米氧化亚铜，并对其性能进行分析和研究。 二、实验原理

近年来，关于纳米材料形貌研究引起了材料学领域的广泛关注。由于粒子的尺寸和形貌对纳米材料的性能有很大影响，具备不同形貌的同种纳米材料往往表现出不同的物理化学性质。Huynh 等研究表明纳米级球形颗粒的物理性能与对应的大尺寸球形颗粒的物理性能不同，材料的性能受其粒径尺寸的影响。Mock 等制备了具有不同形貌的胶体银，发现在等离子体共振中，球形、三角形、五角星形的胶体银分别表现出蓝色、红色和绿色。

Cu 2O 纳米材料因其独特的性质而受到广大学者的亲赖。其窄禁带宽度使其具有良好的半导体性能和光学性能。Cu 2O 是一种性能优异的半导体材料，自然界中蕴藏丰富，且具有化学性质稳定、无毒、易于制备等优点。

在过去的几年里，通过控制晶体成核生长，添加各种模板剂、表面活性剂、添加剂等方法制备出了具有不同形貌结构的Cu 2O 纳米材料，并对其所具有的特殊物理化学性能进行了研究。Xu 等采用多相溶解外加配位辅助的方法合成了具有多孔球形的Cu 2O 单晶。Li 等采用聚苯乙烯为模板剂，通过电化学沉积的方法，成功制备了三维有序的大孔Cu 2O 纳米材料。Chang 等通过水热法，无模板剂辅助，还原CuO 纳米晶体材料自组装合成了具有纳米球形和纳米空心立方体形貌的Cu 2O 纳米材料。He 等通过R 辐照辛基苯基醚、聚乙二醇水油微乳液，合成了八面体Cu 2O 纳米材料，其晶粒尺寸约为45-95nm 。

虽然制备具有不同形貌尺寸的Cu 2O 纳米材料已有很多方法，但这些方法中大部分都需要添加模板剂、采用有机溶剂以及高温条件控制合成Cu 2O 形貌结构。由此探索高效、温和且无添加表面活性剂的制备方法便显得尤为重要。因此，本实验主要研究常温下制备Cu 2O 纳米材料，在强碱条件下以葡萄糖为分散剂，水合肼为还原剂，还原Cu(CH 3COO)2∙H 2O ，制备Cu 2O 纳米材料。以水合肼为还原剂，强碱条件下发生的反应如下所示：

O

H N O Cu O H H N OH 222242-2Cu +↑+↑→∙+++ （1-1）

据相关研究报道，溶液中的粒子选择性吸附在晶体不同晶面上，可控制不同晶面的生长速率，从而影响纳米材料最终生成的形貌结构。故推测在水合肼反应体系中，还原Cu(OH)2生成Cu2O晶胞，Cu2O晶胞的一部分继续生长形成八面体结构，而其他部分没有生长为八面体结构。另外据Xu等的研究，NH3的存在可影响纳米材料的形貌，NH3可与Cu2+之间产生协同作用，从而影响晶体不同晶向的生长速率，进而影响Cu2O纳米材料的形貌结构。

三、实验仪器及试剂

试验中主要设备见表1-1；主要原料见表1-2。

表1-1 实验设备

Table 1-1 Experimental instruments

仪器名称型号生产厂家

电子天平JA2003A 上海精天电子仪器有限公司

鼓风干燥箱101-2AS 北京永光明医疗仪器厂

恒温磁力加热搅拌器HJ-6A 成都赛可隆机械设备有限公司

超声清洗器高速离心机KO-100DB

TG18-WS

昆山超声仪器有限公司

沪康离心机有限公司

Uv-vis光学分度计Shimadu 2550 岛津公司

X射线衍射仪Lhilips X’Pert PRO Panalytical公司光催化装置/ 自制

表1-2 实验原料

Table 1-2 Experimental materials

实验原料规格生产厂家

五水硫酸铜(CuSO4·5H2O) 分析纯成都科龙化工试剂厂葡萄糖(C6H12O6·H2O) 分析纯成都科龙化工试剂厂氢氧化钠(NaOH) 分析纯成都科龙化工试剂厂

蒸馏水无水乙醇

/

分析纯

自制

成都科龙化工试剂厂

四、实验过程

样品具体制备步骤如下。

（1）首先，称取10g CuSO 4·5H 2O 于250ml 的烧杯中，加入40ml 蒸馏水，配成1mol/L 的CuSO 4溶液，记为A 液。后称取4g NaOH ，配置5mol/L 的NaOH 水溶液记为B 液。随后再配置2mol/L 的C 6H 12O 6水溶液40ml ，记为C 液。

（2）将配置好的A 液放于恒温磁力加热搅拌器中，调节反应温度为60°C ，在保持磁力搅拌的情况下将B 液逐滴加入A 液中，继续搅拌，得到Cu(OH)2的沉淀，然后将C 液加入混合体系中，反应不同时间（30min 、45min 、60min 、75min 、90min ）后，分别用蒸馏水和无水乙醇离心5次，于60°C 干燥12h ，得到一组反应时间不同的Cu 2O 样品。

（3）对所得到的样品进行XRD 与SEM 等测试，观察Cu 2O 样品在不同反应时间所对应的不同形貌。

四、实验结果与分析

1、不同反应时间下Cu 2O 的XRD 图谱分析

20304050607080

♦

(311)

♦

(220)

♦

(200)

♦ (111)

♦(110)

♦ Cu 2O

90 min 60 min 75 min 45 min 30 min

I n t e n s i t y (a .u .)

2θ(degree )

图1-1 不同反应时间（a-e 分别为30min 、45min 、60min 、75min 及90min ）下制备的Cu 2O

微纳米材料的SEM 图

Fig. 1-1 SEM images of Cu 2O micro-nanomaterials prepared in different reaction times

(a-f are 30min, 45min, 60min, 75min and 90min respectively)