CN104911639A - 一种负载型银纳米网及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载型银纳米网及其制备方法和应用，该负载型银纳米网由两步合成，即先以硫酸铜和正丙醇的混合液为电解液，以Ag|AgCl为参比电极，铂片为对电极，ITO为工作电极，用恒压法制备负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，清洗表面后，在真空干燥箱中进行干燥，然后以负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体为模板剂和还原剂，在加入硝酸银之后充分反应，取出后经去离子水清洗、真空干燥即可获得负载在ITO上的网状银纳米结构，即负载型银纳米网，该材料可用于电化学还原二氧化碳。本发明提供了具有潜在应用于电化学催化还原二氧化碳的网状的银纳米结构电极材料，制备方法操作简单，易于控制，不产生有毒物质。

Description

一种负载型银纳米网及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米银领域，具体涉及一种负载型银纳米网及其制备方法和应用。

背景技术

目前，化石能源是全球利用能源的主要性形式，而有限的存储量正在逐步被消耗殆尽，并且化石燃料燃烧过程产生的大量二氧化碳是温室效应的罪魁祸首，在全球面临温室效应以及能源危机两大挑战下，将二氧化碳转化为清洁的液态醇类能源是一种有效的方式，同时，也变得异常重要。据一项调查结果显示，2000-2004年间，全球二氧化碳排放量年增长百分比为3.2％，科学家预测，2030年全球二氧化碳排放量将达到400亿吨。中国作为本世纪初发展最快的发展中国家之一，二氧化碳排放量一直在全球排放量中占很大的比重，其中，2008年的年二氧化碳排放量占全球的23.33％，为所有国家之最，在这样的背景下，有效地将二氧化碳转化为液态能源变得非常重要。全球二氧化碳排放量的逐年增加对人们赖以生存的生态环境造成了严重威胁，因此二氧化碳的捕获、存储以及转化受到研究者的广泛关注。在二氧化碳转化方面，利用传统化学方法还原二氧化碳需要同时提供能量和氢气，而采用电催化方法还原二氧化碳，与电解水耦合从水中获取氢，可以在比较温和的反应条件一步获得一氧化碳、碳氢化合物和甲醇等高值化学品和液体燃料。同时，该过程与可再生能源或富余核能利用相结合，实现大规模电能存储，表现出极具潜力的应用前景，当前已成为相关领域一个重要的研究热点。故目前二氧化碳还原的主要方法是电化学还原，而金属纳米颗粒、纳米网是电化学还原的主要催化剂，其中，银纳米结构的电极具有很好的催化性能，据报道(Q.Lu,etal,Nature Communications,5(2014).)，用盐酸腐蚀铝银合金获得的银网状结构用于二氧化碳电化学还原，它比常规的的银纳米颗粒电极的催化效果好，但是其需要银和铝按一定比例进行熔融，涉及高能量消耗、并且产生了不易处理的腐蚀溶液残渣，鉴于网状电极的优、劣势，本发明简便的方法获取银网状电极可以降低银电极的制作成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于电化学催化还原二氧化碳的负载型银纳米网及其制备方法和应用。本发明制备方法操作简单，易于控制，成本低廉，不产生有毒物质。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种负载型银纳米网的制备方法，包括如下步骤：

(1)以硫酸铜和正丙醇的混合液为电解液，以预处理过的ITO为工作电极，利用恒压法对工作电极施加电压，冲洗，真空干燥，得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(2)以负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体为模板剂和还原剂，将其浸入硝酸银溶液中充分反应，清洗，干燥，即得到负载型银纳米网。

步骤(1)中以Ag|AgCl为参比电极，铂片为对电极；ITO的预处理方式为：ITO依次用丙酮、乙醇、去离子水超声5～30分钟，然后自然干燥。

步骤(1)得到的负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体的边长为400nm。

所述的硫酸铜与正丙醇的摩尔比为1:100～200。

步骤(1)中所述的工作电压为-0.3～-0.1V，加压时间为5～30分钟，工作电极的工作面积为0.8×1mm²。

步骤(2)中所述的硝酸银溶液的浓度为1～3mM，反应时间为30～60分钟。

步骤(2)中所述的干燥方式为真空干燥，干燥时间为5～10h。

制备得到的负载型银纳米网由直径为80nm的银纳米棒连接而成。

一种负载型银纳米网，通过上述方法制备得到。

所述的负载型银纳米网作为电催化二氧化碳的电极材料的应用。

本发明提供的上述用于二氧化碳电化学催化还原的负载型银纳米网，由两步法制备获得，即先用恒压法制备负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，清洗表面后，在真空干燥箱中进行干燥，然后以负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体为模板剂和还原剂，在加入硝酸银之后充分反应，取出后经去离子水清洗、真空干燥即可获得负载在ITO上的负载型银纳米网，具体为：先以硫酸铜(铜源)和正丙醇(作为添加剂、抑制析氢反应)为电解液，以Ag|AgCl为参比电极，铂片为对电极，ITO为工作电极，工作面积约为0.8×1cm²。对工作电极施加电压一定时间，即可获得边长为400nm左右的氧化亚铜纳米立方体。用去离子水对样品进行冲洗，去掉表面的电解液，然后放入真空干燥箱中干燥。配置一定浓度的硝酸银溶液，取出氧化亚铜样品，浸入到硝酸银溶液中保持一定时间取出，经干燥后即可得到负载型银纳米网。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明合成制备所需的原料都很容易得到；反应采取的两步操作方法都比较简便；反应过程不涉及高温处理，无有机添加剂污染；银网状纳米结构获得的过程一步完成，该过程不需要高温处理；

2、本发明合成制备的负载型银纳米网的银纳米线均匀地铺在氧化铟锡(ITO)表面；

3、可以通过电化学工作站设置电压值以及时间、控制施加电压的大小与时间，分别控制氧化亚铜纳米立方体的分布以及大小，可以通过控制氧化亚铜纳米立方体的分布以及大小来控制银纳米网的厚度，(电压大小控制分布密度、时间大小决定立方体的大小)，实验重复性高。

总之，本发明效率高、成本低、工艺简单、可重复性好、稳定性好。反应迅速，产率高、银网状结构均匀性好。

附图说明

图1为本发明实施例1所合成的负载型银纳米网的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2是本发明实施例1合成的银纳米线的粉末X射线衍射图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)首先将ITO切成0.8×1.5cm²，其中，多出的部分为工作站电极夹接触区，有效工作面积约为0.8×1mm²，然后依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，然后暴露在空气中自然干燥；

(2)配制含有正丙醇的硫酸铜溶液20mL，其中，正丙醇与硫酸铜的摩尔比为100:1，将ITO夹在电化学工作站作为工作电极，其参比电极与对电极分别为Ag|AgCl、铂片，ITO正面对准铂片对电极，间距为2cm，参比电极在中间，并放入电解池中。加入电解液后，对工作电极施加一个-0.3V电压，持续5min，此时，ITO上有一层黄色物质，即为氧化亚铜。取出ITO用去离子水清洗之后放入真空干燥箱干燥，即得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(3)配制1mmol/L的硝酸银溶液，取出负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，将其放入硝酸银溶液中，保持30min，取出后放入去离子水中浸泡，除去表面的硝酸银溶液，然后放入真空干燥箱中干燥，即得到负载型银纳米网，该材料可以作为电催化还原二氧化碳的电极材料。

实施例2

(1)首先将ITO切成0.8×1.5cm²，其中，多出的部分为工作站电极夹接触区，有效工作面积约为0.8×1mm²，然后依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理5分钟，然后暴露在空气中自然干燥；

(2)配制含有正丙醇的硫酸铜溶液20mL，其中，正丙醇与硫酸铜的摩尔比为150:1，将ITO夹在电化学工作站作为工作电极，其参比电极与对电极分别为Ag|AgCl、铂片，ITO正面对准铂片对电极，间距为2cm，参比电极在中间，并放入电解池中。加入电解液后，对工作电极施加一个-0.3V电压，持续5min，此时，ITO上有一层黄色物质，即为氧化亚铜。取出ITO用去离子水清洗之后放入真空干燥箱干燥，即得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(3)配制2mmol/L的硝酸银溶液，取出负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，将其放入硝酸银溶液中，保持30min，取出后放入去离子水中浸泡，除去表面的硝酸银溶液，然后放入真空干燥箱中干燥，即得到负载型银纳米网，该材料可以作为电催化还原二氧化碳的电极材料。

实施例3

(1)首先将ITO切成0.8×1.5cm²，其中，多出的部分为工作站电极夹接触区，有效工作面积约为0.8×1mm²，然后依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理15分钟，然后暴露在空气中自然干燥；

(2)配制含有正丙醇的硫酸铜溶液20mL，其中，正丙醇与硫酸铜的摩尔比为200:1，将ITO夹在电化学工作站作为工作电极，其参比电极与对电极分别为Ag|AgCl、铂片，ITO正面对准铂片对电极，间距为2cm，参比电极在中间，并放入电解池中；加入电解液后，对工作电极施加一个-0.2V电压，持续5min，此时，ITO上有一层黄色物质，即为氧化亚铜。取出ITO用去离子水清洗之后放入真空干燥箱干燥，即得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(3)配制3mmol/L的硝酸银溶液，取出负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，将其放入硝酸银溶液中，保持60min，取出后放入去离子水中浸泡，除去表面的硝酸银溶液，然后放入真空干燥箱中干燥，即得到负载型银纳米网，该材料可以作为电催化还原二氧化碳的电极材料。

实施例4

(1)首先将ITO切成0.8×1.5cm²，其中，多出的部分为工作站电极夹接触区，有效工作面积约为0.8×1mm²，然后依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理15分钟，然后暴露在空气中自然干燥；

(2)配制含有正丙醇的硫酸铜溶液20mL，其中，正丙醇与硫酸铜的摩尔比为200:1，将ITO夹在电化学工作站作为工作电极，其参比电极与对电极分别为Ag|AgCl、铂片，ITO正面对准铂片对电极，间距为2cm，参比电极在中间，并放入电解池中。加入电解液后，对工作电极施加一个-0.1V电压，持续20min，此时，ITO上有一层黄色物质，即为氧化亚铜。取出ITO用去离子水清洗之后放入真空干燥箱干燥，即得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(3)配制2mmol/L的硝酸银溶液，取出负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，将其放入硝酸银溶液中，保持30min，取出后放入去离子水中浸泡，除去表面的硝酸银溶液，然后放入真空干燥箱中干燥，即得到负载型银纳米网，该材料可以作为电催化还原二氧化碳的电极材料。

实施例5

(1)首先将ITO切成0.8×1.5cm²，其中，多出的部分为工作站电极夹接触区，有效工作面积约为0.8×1mm²，然后依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声处理30分钟，然后暴露在空气中自然干燥；

(2)配制含有正丙醇的硫酸铜溶液20mL，其中，正丙醇与硫酸铜的摩尔比为200:1，将ITO夹在电化学工作站作为工作电极，其参比电极与对电极分别为Ag|AgCl、铂片，ITO正面对准铂片对电极，间距为2cm，参比电极在中间，并放入电解池中；加入电解液后，对工作电极施加一个-0.3V电压，持续360s，此时，ITO上有一层黄色物质，即为氧化亚铜。取出ITO用去离子水清洗之后放入真空干燥箱干燥，即得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(3)配制1mmol/L的硝酸银溶液，取出负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体，将其放入硝酸银溶液中，保持45min，取出后放入去离子水中浸泡，除去表面的硝酸银溶液，然后放入真空干燥箱中干燥，即得到负载型银纳米网，该材料可以作为电催化还原二氧化碳的电极材料。

图1为本发明实施例1所合成的网状银纳米结构的扫描电子显微镜(SEM)图片，银纳米网由较短的银纳米棒组成，其直径约为80nm。从图1的扫描电镜图中可以看出银纳米棒由凸出的银纳米颗粒连接而成，据报道(C.W.Li,et al Nature,508(2014)504-507.)，由金属颗粒连接的颗粒边界对二氧化碳电化学还原具有催化作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负载型银纳米网的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)以硫酸铜和正丙醇的混合液为电解液，以预处理过的ITO为工作电极，利用恒压法对工作电极施加电压，冲洗，真空干燥，得到负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体；

(2)以负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体为模板剂和还原剂，将其浸入硝酸银溶液中充分反应，清洗，干燥，即得到负载型银纳米网。

2.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(1)中以Ag|AgCl为参比电极，铂片为对电极，ITO的预处理方式为：ITO依次用丙酮、乙醇、去离子水超声5～30分钟，然后自然干燥。

3.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(1)得到的负载在ITO基板上的氧化亚铜纳米立方体的边长为400nm。

4.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：所述的硫酸铜与正丙醇的摩尔比为1:100～200。

5.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的工作电压为-0.3～-0.1V，加压时间为5～30分钟，工作电极的工作面积为0.8×1mm²。

6.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的硝酸银溶液的浓度为1～3mM，反应时间为30～60分钟。

7.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的干燥方式为真空干燥，干燥时间为5～10h。

8.根据权利要求1所述的负载型银纳米网的制备方法，其特征在于：制备得到的负载型银纳米网由直径为80nm的银纳米棒连接而成。

9.一种负载型银纳米网，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的方法制备得到。

10.权利要求9所述的负载型银纳米网作为电催化二氧化碳的电极材料的应用。