发明内容
本发明目的在于:提供一种水相软模板一锅法快速制备粒径可控、粒径窄分布的Cu2O或CuO中空亚微球的方法。该法利用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板,通过简单的还原反应将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布的Cu2O中空亚微球;或进一步通过程序升温焙烧可以使Cu2O中空亚微球氧化得到粒径及粒径分布相似的CuO中空亚微球。
本发明的技术方案:一种水相软模板法制备粒径可控Cu2O或CuO中空亚微球的方法,用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板,将铜盐水溶液加入到所述软团簇水溶液中,调节混合溶液的pH值后使用水合肼作还原剂,将铜离子经一锅法快速还原并组装成粒径可控、粒径窄分布的Cu2O中空亚微球;或进一步通过程序升温焙烧使Cu2O中空亚微球氧化得到粒径及粒径分布与Cu2O中空亚微球相似的CuO中空亚微球;工艺为:
1)将一定量的十二烷基硫酸钠SDS和聚乙烯吡咯烷酮PVP加到去离子水中,加热至40-60℃使其充分溶解并组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与铜盐水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:铜离子10-30mmol/L,SDS 5-50mmol/L,PVP 1-10g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH范围为8-12;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶10-30,混合均匀后在40-60℃的条件下反应50-80min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,离心分离得到的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤,经电镜表征为具有粒径窄分布、平均粒径在150-350nm可控的Cu2O中空亚微球;
或4)进一步将步骤3)得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重,得到粒径及粒径分布与所述Cu2O中空亚微球相似的CuO中空亚微球。
所用的铜盐为硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜或氯化铜。
本发明的有益效果:本发明利用十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮形成的项链状软物质团簇为模板,水合肼为还原剂一锅法快速将铜盐还原并组装成平均粒径在150-350nm范围内可控的、粒径窄分布的的Cu2O中空亚微球,在制备过程中,该软团簇模板可以调控产品的粒径分布,得到具有粒径窄分布的Cu2O中空亚微球,工艺简单,得到的Cu2O中空亚微球粒径小、形貌均一。通过程序升温焙烧该Cu2O中空亚微球制备得到粒径及粒径分布相似的CuO中空亚微球。
本发明制备的Cu2O、CuO中空亚微球是由粒径约为8-14nm的原级Cu2O、CuO纳米晶粒组装而成。
本发明制备的产物粒径小、粒径分布窄且可控性好,制备工艺简单,常温常压反应温和,一锅法合成易于操作和重复,成本低,便于工业化生产。
具体实施方式
实施例1
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至40℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:硫酸铜20mmol/L,SDS 45mmol/L,PVP 10g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为12;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶20,混合均匀后在50℃的恒温水浴中反应55min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中经离心分离得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重,得到粒径及粒径分布与Cu2O中空亚微球相似的CuO中空亚微球。
图1和图2分别是实施例1制备的Cu2O中空亚微球的X射线衍射图和透射电镜图,Cu2O中空亚微球的平均粒径为180nm;图3和图4分别是实施例1制备的CuO中空亚微球的X射线衍射图和扫描电镜图,CuO中空亚微球的平均粒径为200nm。
实施例2
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至45℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与硝酸铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:硝酸铜15mmol/L,SDS 25mmol/L,PVP 10g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为11;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶15,混合均匀后在50℃的恒温水浴中反应55min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重。所得Cu2O中空亚微球的平均粒径为200nm,CuO中空亚微球的平均粒径为220nm。
实施例3
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至55℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与醋酸铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:醋酸铜15mmol/L,SDS 9mmol/L,PVP 8g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为11;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶15,混合均匀后在40℃的恒温水浴中反应65min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重。所得Cu2O中空亚微球的平均粒径为220nm,CuO中空亚微球的平均粒径为235nm。
实施例4
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至40℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与氯化铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:氯化铜10mmol/L,SDS 9mmol/L,PVP 4g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为10;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶15,混合均匀后在40℃的恒温水浴中反应70min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重。所得Cu2O中空亚微球的平均粒径为240nm,CuO中空亚微球的平均粒径为265nm。
实施例5
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至40℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:硫酸铜10mmol/L,SDS 5mmol/L,PVP 2g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为9;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶10,混合均匀后在40℃的恒温水浴中反应75min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重。所得Cu2O中空亚微球的平均粒径为265nm,CuO中空亚微球的平均粒径为290nm。
实施例6
1)将一定量的十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮加到去离子水中,加热至40℃使其充分溶解并自组装成软团簇,待溶液冷却至室温后与硫酸铜水溶液混合,使得溶液中各组分最终浓度范围分别为:硫酸铜25mmol/L,SDS 45mmol/L,PVP 10g/L;
2)用2.5mol/L的氢氧化钠溶液调节步骤1)得到的混合溶液的pH值为12;
3)在搅拌条件下将质量浓度为50%的水合肼水溶液加入到步骤2)得到的混合溶液中,使得铜离子与水合肼的最终摩尔比为1∶25,混合均匀后在55℃的恒温水浴中反应55min,得到橙黄色Cu2O胶体溶液,经离心分离后得到沉淀物,沉淀物经去离子水和无水乙醇洗涤后得到Cu2O中空亚微球;
4)将步骤3)中得到的Cu2O中空亚微球从室温开始经1℃/min程序升温至300℃后,再快速升温至500℃并焙烧1-5h至恒重。所得Cu2O中空亚微球的平均粒径为155nm,CuO中空亚微球的平均粒径为180nm。