氧化銅納米粒子的制備與表征

崔 萌

（吉林化工學院 材料科學與工程學院， 吉林 吉林 132011）

氧化銅納米粒子的制備與表征

崔 萌

（吉林化工學院 材料科學與工程學院， 吉林 吉林 132011）

納米材料具有諸多優(yōu)良特性，使其具有物理性質(zhì)與常規(guī)塊體材料不同，被譽為本世紀最有前途的材料。納米氧化銅具有低熔融溫度、低分解溫度和高熱釋放已經(jīng)成為可用于亞穩(wěn)態(tài)含能復合材料中的比較理想的氧化劑材料。以PEG為模板，用CuCl2·2H2O和NaOH為原料，通過溶液反應制備CuO納米粒子。分別討論了反應物配比、PEG的分子量、PEG用量對產(chǎn)物形貌的影響，以得到制備CuO納米粒子的最佳實驗條件。

氧化銅；納米粒子；模板法

納米材料具有與常規(guī)塊體材料不同的諸多優(yōu)良特性，被譽為本世紀最有前途的材料[1]。CuO納米粒子具有低熔融、低分解溫度和高熱釋放已經(jīng)成為可用于亞穩(wěn)態(tài)含能復合材料中的比較理想的氧化劑材料[2,3]。在作為氧化劑時，納米CuO可以吸引更寬直徑分布的燃料粒子復合，復合時二者接觸面積比較大，復合物的燃燒波速度比較大[4-7]，因此需要在對納米氧化銅材料上開展研究工作。

本文以PEG為模板，用CuCl2·2H2O和NaOH為原料，通過溶液反應制備CuO納米線。實驗發(fā)現(xiàn)，反應物配比、PEG的分子量和用量都會影響產(chǎn)物的形貌和分散性。通過各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響分析，得出能夠得到理想結(jié)構(gòu)的最佳反應條件：選用PEG400作為模板，PEG400與Cu2+的摩爾配比為1，PEG400與去離子水的摩爾配比為0.34。

1 實驗部分

（1）將CuCl2·2H2O溶解在PEG和去離子水的混合溶液中，將此混合溶液放入超聲清洗器中超聲處理使其均勻分散。

（2）在另一個燒杯中，將NaOH溶解在PEG和去離子水的混合溶液中，將此混合溶液放入超聲清洗器中超聲處理使其均勻分散。

（3）將兩種溶液混合，超聲處理，加過量乙醇靜置一夜。后用無水乙醇和去離子水輪番清洗生成物，并用AgNO3溶液滴定，直至Cl-完全清除，后對生成物離心分離，將產(chǎn)物在95 ℃下保溫一夜，再研磨成粉體，在400 ℃下煅燒即得到CuO納米粉體。

2 結(jié)果與討論

2.1 [Cu2+]/[OH-] 對產(chǎn)物粒徑及分散性的影響

選擇[PEG]/[Cu2+]為1.5，PEG分子量為400，取[Cu2+]/[OH-]分別為0.34、0.39和0.47得到樣品分別為a1、b1和c1，對三個樣品分別進行SEM表征結(jié)果如圖1所示。

由圖可知，[Cu2+]/[OH-]=0.34時，CuO在電鏡下呈球形或類球形，分散性很好，但是粒子顆粒大小不均勻，最大顆粒粒徑約100 nm，最小顆粒粒徑約為20 nm，當[Cu2+]/[OH-]=0.39時，最大顆粒粒徑約150 nm，最小顆粒粒徑約為 10 nm，當[Cu2+]/[OH-]=0.47時，最大顆粒粒徑約為200 nm，最小顆粒粒徑約為20 nm。

圖1 不同[Cu2+]/[OH-]下樣品的SEMFig.1 SEM of different [Cu2+]/[OH-] sample

比較不同[Cu2+]/[OH-]時制得的 CuO樣品的SEM：當NaOH的用量增大，隨配比增大，樣品逐漸由菱形向球形轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物粒子分散性略有改善，但尺寸分布不均勻。[Cu2+]/[OH-]=0.39時，樣品為長徑(150±50)nm，短徑為(50±10)nm左右的菱形顆粒；[Cu2+]/[OH-]=0.34時，樣品為長徑(100±50)nm，短徑為(40±10)nm 左右的球形顆粒；[Cu2+]/[OH-]=0.47時，樣品為長徑(200±50)nm，短徑(20±10)nm左右的不規(guī)則顆粒。由此可知：反應物的配比不同，將導致產(chǎn)物微觀粒子尺寸不均一性的改變，進而影響到產(chǎn)物的性質(zhì)。

2.2 PEG分子量對產(chǎn)物粒徑及分散性的影響

選擇[PEG]/[Cu2+]為1.5，[Cu2+]/[OH-]為0.34，PEG分子量為400，取PEG分子量分別為200、400和800得到樣品分別為a2、b2和c2，對三個樣品分別進行SEM表征結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同分子量PEG作為模板制備的納米氧化銅的SEMFig.2 SEM of product prepared by using PEG with differentmolecular weight

由圖2可知，PEG800作為模板時，粒子顆粒大小不均勻，最大的顆粒粒徑約為100 nm，最小顆粒粒徑約為20 nm，顆粒間緊密連接成小團聚體，分散性較差。對照發(fā)現(xiàn)PEG400和PEG200作為模板時，產(chǎn)物粒子的分散性好，這可能與反應體系的反應速度有關(guān)，由實驗過程知，PEG800作為模板時，反應速度比較慢，反應進行的比較溫和，因此納米顆粒均勻程度較好，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)緊密，超聲波振蕩不易打破顆粒間的團聚。由此可以通過運用不同的表面活性劑來調(diào)節(jié)納米CuO的分散性。

2.3 PEG用量對產(chǎn)物粒徑及分散性的影響

選用PEG400作為模板，[Cu2+]/[OH-]為 0.34，改變[PEG]/[Cu2+]分別為1.5、1、0.8，得到樣品為a3、 b3、c3，三份樣品的SEM圖譜如圖3所示。

圖3 不同[PEG400]/[Cu2+]下納米CuO的SEMFig.3 SEM of different [PEG400]/[Cu2+] sample

圖3是[PEG400]/[Cu2+]=0.8、1、1.5時制得的樣品的 SEM圖像，可以看到表面活性劑加入量的提高，顆粒尺寸分布變窄，平均粒徑從100 nm，形成長度為8 μm，直徑為200 nm的納米線，繼續(xù)提高表面活性劑的用量，發(fā)現(xiàn)顆粒的平均粒徑有所增加，顆粒的分散性有所提高。從上面的SEM圖像當中可以看到，在PEG400與[Cu2+]比值為1時，得到的樣品的形貌為線狀，長徑比比較理想，由此也可以判斷出合成CuO納米粒子的較好實驗方案。

3 結(jié) 論

稀溶液中PEG分子可充分舒展，形成比較長的線狀模板，晶體在線狀模板上生長，產(chǎn)物形貌也更接近線狀結(jié)構(gòu)，通過實驗分析得到各因素對產(chǎn)物形貌影響如下：

（1）[Cu2+]/[OH-]不同，產(chǎn)物的形貌和分散性會發(fā)生很大變化，當[Cu2+]/[OH-]=0.34時，產(chǎn)物的分散性及均一程度較好；

（2）PEG分子量不同，在它作為模板的使用過程中也會使產(chǎn)物的形貌以及粒徑發(fā)生比較大的差別，選擇PEG400是最好的；

（3）通過實驗中各個反應參數(shù)對實驗結(jié)果的影響分析，得出能夠得到納米結(jié)構(gòu)的較好反應條件為采用液相反應法選用 PEG400作為反應模板，PEG400與Cu2+的摩爾配比為1，[Cu2+]/[OH-]=0.34。

［1］洪偉良,等. 納米 CuO的制備及其對熱分解特性的影響[J]. 推進技術(shù), 2001, 22(3)：254.

［2］俞建群, 徐政, 方明豹,等. 一步室溫固相化學反應法合成 CuO納米粉體[J]. 同濟大學學報, 2000, 28(3)： 364-367.

［3］賈殿贈, 楊立新,等. 銅(Ⅱ)化合物與 NaOH室溫條件下固-固相化學反應XRD研究[J]. 科學通報, 1997, 42(2)：51-52.

［4］洪偉良, 趙鳳起, 劉劍洪,等. 制備納米氧化銅粉體的新方法[J]. 火炸藥學報, 2000( 3)：7-8.

［5］譚績業(yè), 鄒凡. 固相反應制備納米氧化銅[J]. 大連大學學報, 2003, 24(2)：52-58.

［6］李東升, 王文亮, 王堯宇,等. 室溫固相合成前體法制備納米 CuO粉體[J]. 功能材料, 2003, 34(6)：723-727.

［7］李冬梅, 夏熙. 絡合沉淀法合成納米氧化銅粉體及其性能表征[J].無機材料學報, 2001, 16(6)：1207-1210.

Preparation and Characterization of CuO Nanoparticles

CUI Meng

（School of Materials Science and Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132011, China）

Nano-materials have many good characteristics, their physical properties are different from common bulk materials, so they are honored as the most promising material. The nano-level copper oxide has low melting temperature, low decomposition temperature and high heat release behavior, so it has become ideal oxidant material for energetic metastable composite materials. In this thesis, copper oxide nanoparticles were prepared from CuCl2?2H2O and NaOH by solution reaction with polyethylene glycol (PEG) as template. Effects of reactants ratio, PEG molecular weight and PEG dosage on the appearance of the product were investigated to obtain the best preparation conditions of copper oxide nanoparticles.

Copper oxide；Nanoparticles；Template

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0497-02

2014-10-08

崔萌（1986-），女，吉林省吉林市人，助教，博士在讀，2012年畢業(yè)于北京理工大學材料學專業(yè)，研究方向：功能材料。