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  • 一种铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的制备方法

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    合乐彩票平台注册送钱类型:发明合乐彩票平台注册送钱
    更新时间:2019-10-21 14:19:17
    技术领域:其它
    交易方式: 转让 交易状态: 未交易
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    一种铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的制备方法 技术领域 本发明涉及一种采用混合溶剂热方法制备铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的方法 背景技术 能源和环境问题是人类社会近几十年乃至今后几个世纪面临的巨大挑战。这两个问题的解决途径一是开发可再生的、清洁的、廉价的新能源,如太阳能发电系统;二是开发低成本、高效率的污染物降解技术。TiO2等半导体纳米材料具有性能稳定、成本低廉等优点,在染料敏化太阳能电池、光触媒催化降解有机物等方面有着广泛的应用。由于纯TiO2的能带较宽,特征吸收波长在紫外波段,对可见光段的能量利用率有限,另外光生空穴-电子对在传输过程中的湮灭复合也降低了二氧化钛作为光电材料和催化剂的使用效率。近年来,贵金属-二氧化钛核壳结构纳米粒子引起了广泛关注,贵金属作为核层材料,一方面能够对外层二氧化钛半导体材料的能带结构进行裁剪,使其吸收边向可见光方向移动;另一方面,当贵金属粒子与二氧化钛接触时,电子在二者表面的迁移方式会发生改变,最终的结果是在金属表面获得了过量的负电荷,半导体获得了过量的空穴,使电子和空穴分别处于不同的两相中,抑制了光生电子和空穴的复合,提高了对跃迁电子对的使用效率。Xiao-Feng Wu等人采用水热法制备Au-TiO2核壳型纳米材料,并将该材料应用于光催化降解乙醛;Avellaneda等还证明,以核壳型TiO2为原料制备的电极能够通过提高染料敏化太阳能电池的开路电压(Voc),从而提高光电转化效率。 本发明使用Cu作为核壳纳米粒子的内核取代Ag、Au等贵金属,Cu的费米能级为4.65eV,介于金的5.1eV和银的4.26eV之间,使其有可能作为贵金属的替代品调制外层TiO2的能带结构,同时Cu的价格低廉,由此制备的纳米粒子有望大规模生产应用。此外,本发明以聚乙二醇(PEG)作为模板剂,使得产物的粒径可控;抗环血酸作为还原剂,合成过程对环境无污染。 发明内容 本发明的目的在于提供一种铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的制备方法,该方法利用氯化亚铜提供铜离子、钛酸四丁酯为钛源、抗坏血酸为还原剂、聚乙二醇PEG为模板剂,分别以氨水、无水乙醇、去离子水为溶剂,采用混合溶剂热法制备出尺寸为40-150nm,外层为5-30nm锐钛矿相二氧化钛,芯层为35-120nm立方相铜单质的近球状纳米粒子。本发明涉及的纳米粒子制备方法具有产物尺寸可控、成本低廉、环境友好、可重复性好等优点,可用于染料敏化太阳能电池光阳极、制备光触媒催化剂、锂离子电池负极等领域。 本发明所述的一种铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的制备方法,以氯化亚铜、氨水、抗坏血酸、钛酸四丁酯、柠檬酸钠、尿素和聚乙二醇(PEG)为起始反应物,通过控制各物料的比例和加料顺序,采用混合溶剂热合成法,得到核壳结构的铜-二氧化钛复合纳米粉体,具体操作按下列步骤进行: a、将氯化亚铜溶于氨水溶剂中,配制成浓度为0.1-0.5mol/L的氯化亚铜氨水溶液,置于烧杯中,搅拌15min; b、将聚乙二醇溶于去离子水中,配制成浓度为0.001-0.01mol/L的聚乙二醇溶液,加入步骤a中,搅拌15min; c、将柠檬酸钠溶于去离子水中,配制成浓度为0.1-1.0mol/L的柠檬酸钠溶液,加入步骤b中,搅拌15min; d、将抗坏血酸溶于去离子水中,配制成浓度为0.1-1.0mol/L的抗坏血酸溶液,加入步骤c中,搅拌15min; e、将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中,配制成浓度为0.1-1.0mol/L的溶液,加入步骤d中,搅拌15min; f、将步骤e中加入0.001-0.01mol尿素,搅拌30min,将混合溶剂置于聚四氟乙烯内衬和不锈钢釜体反应装置内,反应在鼓风干燥箱中进行,反应温度为150-200℃,反应时间为10-24h; g、将步骤f所得产物置于离心管中,离心机转速4000-12000r/min,每次离心10-30min,采用去离子水为介质,离心5-10次; h、将步骤g产物再置于离心管中,离心机转速4000-12000r/min,每次离心10-30min,采用无水乙醇为介质,离心5-10次后,将产物分散于100ml无水乙醇中,置于50℃恒温干燥箱中干燥24h,即可得到铜-二氧化钛核壳型复合纳米粒子产物。 所述方法中各反应物氯化亚铜、抗坏血酸和钛酸四丁酯的摩尔质量比为氯化亚铜∶抗坏血酸∶钛酸四丁酯=1∶0.2-2∶0.2-3。 通过该方法获得的产物为近球状纳米粒子,尺寸为40-150nm,外层为5-30nm锐钛矿相二氧化钛,芯层为35-120nm立方相铜单质。 本发明所述的一种铜-二氧化钛核壳型纳米粒子的制备方法,该方法针对传统染二氧化钛材料存在的不足,提供一种成本低廉、工艺简单、环境友好的核壳型Cu-TiO2纳米粒子合成方法,这种方法合成的纳米粒子具有粒子尺寸小、形貌成分可调、尺寸分布均匀、结晶性好等优点。 本发明合成核壳型Cu-TiO2纳米粒子的过程中,具有以下独特之处: 使用混合溶液体系,使用氨水作为氯化亚铜的溶剂,无水乙醇作为钛酸四丁酯的溶剂,去离子水作为其他反应物的溶剂,使各反应物在溶液中均得到良好的分散; 使用聚乙二醇作为模板剂,产物的尺寸与聚乙二醇的聚合度有关,通过对聚乙二醇平均分子量的选择而调节产物的尺寸大小; 使用抗坏血酸为还原剂,该物质安全,无毒,反应过程中不释放有害气体。使得该制备过程温和,生产过程对环境无危害。通过本发明所述方法获得的Cu-TiO2核壳型纳米粒子可应用于染料敏化太阳能电池光阳极、制备光催化剂以及锂电池负极材料等方面。 附图说明: 图1为本发明实施例1所得产物的X射线衍射(XRD)谱线图,其中*——锐钛矿,·——铜; 图2为本发明实施例1所的产物的透射电子显微镜(TEM)照片图; 图3为本发明实施例2所得产物的X射线衍射(XRD)谱线图,其中*——锐钛矿,·——铜; 图4为本发明实施例2所得产物的透射电子显微镜(TEM)照片图,其中插图显示的是单个核壳纳米粒子; 图5为本发明实施例2所得单个纳米粒子的高分辨透射电子显微镜(HRTEM),其中图中晶面间距为0.34nm和0.35nm的晶面为外层二氧化钛(101)晶面,晶面间距为0.20nm和0.21nm的晶面为内层铜的(111)晶面,图中插图显示了二者的界面。 具体实施方式 实施例1 a、将氯化亚铜溶于氨水溶剂中,将5ml浓度为0.5mol/L的氯化亚铜氨水溶液,置于烧杯中,搅拌15min; b、将聚乙二醇溶于去离子水中,将5ml浓度为0.005mol/L聚乙二醇1000溶液,加入步骤a中,搅拌15min; c、将柠檬酸钠溶于去离子水中,将10ml浓度为0.1mol/L柠檬酸钠的去离子水溶液加入步骤b中,搅拌15min;d、将抗坏血酸溶于去离子水中,将5ml浓度为0.1mol/L抗坏血酸的去离子水溶液加入步骤c中,搅拌15min; e、将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中,将5ml浓度为1.0mol/L的钛酸四丁酯溶液加入步骤d中,搅拌15min; f、将0.001mol尿素加入步骤e中,搅拌30min,将混合溶剂置于50ml聚四氟乙烯内衬和不锈钢反应釜装置内,填充度为80%,反应在鼓风干燥箱中进行,反应温度为150℃,反应时间为24h; g、将步骤f所得产物置于离心管中,离心机转速4000r/min,每次离心10min,采用去离子水为介质,离心5次; h、将步骤g产物再置于离心管中,离心机转速4000r/min,每次离心10min,采用无水乙醇为介质,离心5次后,将产物分散于100ml无水乙醇中,置于50℃恒温干燥箱中干燥24h,即可得到产物铜-二氧化钛核壳型复合纳米粒子。 通过该方法获得的产物为近球状纳米粒子,粉体组成为尺寸为40-150nm,外层为5-30nm锐钛矿相二氧化钛,芯层为35-120nm立方相铜单质,平均粒径约为40nm。该产物可应用于染料敏化太阳能电池光阳极、制备光催化剂以及锂电池负极材料等方面。。 实施例2 a、将氯化亚铜溶于氨水溶剂中,将15ml浓度为0.25mol/L的氯化亚铜氨水溶液置于烧杯中,搅拌15min; b、将聚乙二醇溶于去离子水中,将10ml浓度为0.01mol/L的聚乙二醇6000溶液,加入步骤a中,搅拌15min; c、将柠檬酸钠溶于去离子水中,将10ml浓度为0.5mol/L柠檬酸钠的去离子水溶液,加入步骤b中,搅拌15min; d、将抗坏血酸溶于去离子水中,将7ml浓度为0.5mol/L的抗坏血酸的去离子水溶液,加入步骤c中,搅拌15min; e、将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中,将10ml浓度为0.5mol/L的钛酸四丁酯乙醇溶液,加入步骤d中,搅拌15min; f、将步骤e中加入0.005mol尿素,搅拌30min,将混合溶剂置于50ml聚四氟乙烯内衬和不锈钢釜体装置内,填充度为80%,反应在鼓风干燥箱中进行,反应温度为180℃,反应时间为18h; g、将步骤f所得产物置于离心管中,离心机转速12000r/min,每次离心20min,采用去离子水为介质,离心10次; h、将步骤g产物再置于离心管中,离心机转速12000r/min,每次离心20min,采用无水乙醇为介质,离心10次后,将产物分散于100ml无水乙醇中,置于50℃恒温干燥箱中干燥24h,即可得到产物铜-二氧化钛核壳型复合纳米粒子。 通过该方法获得的产物为近球状纳米粒子,所得粉体组成为尺寸为40-150nm,外层为5-30nm锐钛矿相二氧化钛,芯层为35-120nm立方相铜单质,平均粒径约为80nm。该产物可应用于染料敏化太阳能电池光阳极、制备光催化剂以及锂电池负极材料等方面。 实施例3. a、将氯化亚铜溶于氨水溶剂中,将20ml浓度为0.1mol/L的氯化亚铜氨水溶液,置于烧杯中,搅拌15min; b、将聚乙二醇溶于去离子水中,将10ml浓度为0.001mol/L的聚乙二醇20000溶液,加入步骤a中,搅拌15min; c、将柠檬酸钠溶于去离子水中,将10ml浓度为1.0mol/L的柠檬酸钠溶液,加入步骤b中,搅拌15min; d、将抗坏血酸溶于去离子水中,将10ml浓度为1.0mol/L的抗坏血酸溶液,加入步骤c中,搅拌15min; e、将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中,将20ml浓度为0.1mol/L的钛酸四丁酯乙醇溶液,加入步骤d中,搅拌15min; f、将步骤e中加入0.01mol尿素,搅拌30min,将混合溶剂置于50ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜装置内,填充度为80%,反应在鼓风干燥箱中进行,反应温度为200℃,反应时间为10h; g、将步骤f所得产物置于离心管中,离心机转速8000r/min,每次离心30min,采用去离子水为介质,离心8次; h、将步骤g产物再置于离心管中,离心机转速12000r/min,每次离心30min,采用无水乙醇为介质,离心8次后,将产物分散于100ml无水乙醇中,置于50℃恒温干燥箱中干燥24h,即可得到产物铜-二氧化钛核壳型复合纳米粒子。 通过该方法获得的产物为近球状纳米粒子,粉体组成为尺寸为40-150nm,外层为5-30nm锐钛矿相二氧化钛,芯层为35-120nm立方相铜单质,平均粒径约为150nm。该产物可应用于染料敏化太阳能电池光阳极、制备光催化剂中以及在锂电池负极材料等方面。

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