CN104959622B - 一种不同长径比的铜纳米线的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不同长径比的铜纳米线的合成方法。它是按照以下步骤进行的：(1)配制二价铜盐和葡萄糖的混合水溶液A；(2)配制油胺和油酸的无水乙醇溶液B；(3)配制聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液C；(4)将A、B和C混合，用水稀释后，在30～80℃下搅拌2～12h；(5)将步骤（4）中所得溶液于100～130℃下反应4～24h。本发明方法克服了目前常规合成方法中存在的工艺复杂、反应温度高、产物产量低纯度低等缺点，可制得可控性好、长径比大、分散性好，且终端无颗粒的铜纳米线。

Description

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法

技术领域

本发明涉及一维金属纳米材料，特别是涉及一种不同长径比的铜纳米线的合成方法。

背景技术

铜纳米线因其高导电率、高透过率和优异的柔性性能在触摸屏、太阳能电池、可穿戴设备、有机发光二极管等领域有较广运用前景，被认为是有望代替氧化铟锡（ITO）的新一代透明导电材料。而合成高质量的铜纳米线是制备性能优异的透明导电材料的前提。

目前，合成铜纳米线的方法主要有：

1、包括模板法、静电纺丝法、气相沉积法、固相还原法等“硬’方法。其中，模板法是以相应模板为模具，用物理或化学方法填充相应材料后，将材料作为结构主体去控制或引导纳米材料生长，并随着反应进行，模板自身消耗掉，进而得到特定形貌产物。其主要特点为无论是在气相还是液相中发生的反应可控性较好，然而受到必须预先制备相应模板所限制，其产物产量十分有限，且其多晶产物也是模板法主要的不足之处。静电纺丝法虽然能连续制备纳米线，但容易受环境因素如温度、湿度、过程控制参数如电压、流速，以及溶液参数如表面张力、粘度等因数影响。气相沉积法需要在真空中完成，条件较为苛刻。固相还原法需要在高温条件下完成，能耗大且效率低。这些“硬”方法，要么反应条件苛刻、步骤繁琐，要么成本较高、可控性差，因而不易实现大规模生产。

2、目前，基于液相溶液的“软”方法是合成铜纳米线的主流方法，主要包括水热还原法和溶剂热法等。这些方法虽然具有成本较低、可控性好，容易实现规模生产等优点，但是也分别存在诸多技术问题：采用水热还原法合成铜纳米线，要么其合成步骤较为繁琐，要么合成出来的铜纳米线终端有颗粒，影响了薄膜的光电性能。而溶剂热法虽然操作简单，但通常在较高温度(>150℃)下，并且需要在惰性气体保护下才能完成。

中国专利201080062895.1报道了液相还原法制备铜纳米线，其铜纳米线直径100±10nm，且终端伴有颗粒，会影响薄膜导电性和透过率。

中国专利201110144380.2通过液相还原法制备了单晶铜纳米线，由于反应物浓度低，其产量低。

中国专利201210323822.4报道了超长纳米线（1500μm）的合成方法，其中使用了贵金属作为催化剂，且反应温度较高（190℃）。

中国专利201410346038.4报道了长径比大、纯度高的铜纳米线的合成方法，它也是在较高温度（150℃）下完成合成的。

中国专利201410362522.6报道了连续生产化合成铜纳米线，虽然其产率较高，但是合成步骤繁琐，且制备的铜纳米线终端伴有颗粒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，该合成方法克服了目前常规合成方法中存在的工艺复杂、反应温度高、产物产量低纯度低等缺点，可制得可控性好、长径比大、分散性好，且终端无颗粒的铜纳米线。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于，它是按照以下步骤进行的：

(1)配制二价铜盐和葡萄糖的混合水溶液A；

(2)配制油胺和油酸的无水乙醇溶液B；

(3)配制聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用水稀释后，在30～80℃下搅拌2～12h；

(5)将步骤（4）中所得溶液于100～130℃下反应4～24h，即可。

为了进一步纯化所制得的铜纳米线，上述不同长径比的铜纳米线的合成方法，还包括有步骤(6)：将步骤（5）中反应完后所得的溶液用正己烷和异丙醇的混合液，在8000～12000rpm/min离心洗涤数次，分散在异丙醇中，即可。

上述二价铜盐，具体可选择为氯化铜、硫酸铜、醋酸铜或硝酸铜。

上述合成方法中的二价铜盐、葡萄糖、油胺、油酸和PVP的用量，按照以下摩尔比配置：二价铜盐：葡萄糖：油胺：油酸：PVP=1:0.5～2：4～8：0.05～0.12：0.5～2.2。作为更进一步地优选，其具体按照以下摩尔比配置：二价铜盐：葡萄糖：油胺：油酸：PVP=1:1:6:0.06:1.1。

上述聚乙烯吡咯烷酮，优选重均分子量为55000、360000或1300000中的一种。

上述步骤（3）中配制的PVP的乙醇溶液C中，PVP的质量分数为2%～7%。

作为更进一步优化，上述不同长径比的铜纳米线的合成方法，具体是按照以下步骤进行的：

(1)称取1.7～6.8g氯化铜和1.98～7.92g葡萄糖，加入500ml去离子水，室温下搅拌均匀得到蓝色溶液A；

(2)量取20～80ml油胺、20～80μl油酸和140ml无水乙醇，室温下搅拌均匀得到混合液B；

(3)称取相对分子质量为55000的PVP 5～20g,加入50ml无水乙醇搅拌均匀，得到混合液C；

(4)将上述A、B和C混合，用去离子水稀释至1000～4000ml，在30～80℃下，加热搅拌2～12h，得到青灰色溶液；

(5)将步骤（4）中所得溶液转移到反应釜中，于110～130℃下反应4～24h；其中，控制反应不同的时间，即可得到不同长径比的铜纳米线，反应时间越长，得到的铜纳米线长径比越大；

(6) 将步骤（5）中反应完全后所得的溶液自然冷却，用体积比为0.5～2：1的正己烷和异丙醇的混合液，在8000～12000rpm/min条件下离心洗涤4次，分散在异丙醇中，即可。

本发明方法具有以下优点：

(1)该方法简单、可控性好、操作简便、成本低廉，产量高，易于批量生产；

(2) 该方法通过仅改变反应时间，而可以得到不同长径比的铜纳米线，其产物的直径在30～100nm,长度20～120μm内可控；

(3)采用该方法制得的产物铜纳米线，其形貌均匀、终端无颗粒，分散性好，经离心洗涤后，在透明导电材料领域有广泛运用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中合成的铜纳米线的XRD图。

图2为本发明实施例1中合成的铜纳米线的扫描电子显微镜(SEM)图。

图3为本发明实施例1中合成的铜纳米线分散液的吸收谱图。

图4为本发明实施例1中合成的铜纳米线于不同放大倍数下的透射电子显微镜(TEM)图。

图5-7为本发明实施例1中合成的铜纳米线于不同放大倍数下的SEM图。

图8为本发明实施例2中合成的铜纳米线的SEM图。

图9为本发明实施例2中合成的铜纳米线的TEM图。

图10-12为本发明实施例2中合成的铜纳米线于不同放大倍数下的SEM图。

图13为本发明实施例3中合成的铜纳米线的SEM图。

图14为本发明实施例3中合成的铜纳米线的TEM图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，但以下实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对其保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例 1

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，它是按照以下步骤进行的：

(1)称取0.02mol的氯化铜和0.02mol的葡萄糖，加入1000ml去离子水室温下溶解搅拌均匀，得到蓝色溶液A；

(2)量取40ml油胺、40μl油酸，以及70ml无水乙醇，室温下将其搅拌均匀配制成混合液B；

(3)配置20ml质量分数为3%的PVP（Mw=360000）-乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用去离子水稀释后，在80℃条件下加热磁力搅拌5h；

(5)将步骤（4）中所得溶液转入反应釜中，于120℃下反应6h；

(6)将步骤（5）中反应完后所得的溶液自然冷却，之后再用体积比为2：1的己烷和异丙醇的混合液，8000rpm/min离心洗涤4次，用异丙醇稀释，即得到分散较好的铜纳米线分散液。

根据附图1～7可知，本方法制得的是纯净的面心立方的铜纳米线；该铜纳米线的长度在40～60μm，直径在60～80nm，且该铜纳米线没有终端颗粒。

实施例 2

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，它是按照以下步骤进行的：

(1)称取0.04mol的氯化铜和0.04mol的葡萄糖，加入2000ml去离子水室温下溶解搅拌均匀，得到蓝色溶液A；

(2)量取80ml油胺、80μl油酸，以及140ml无水乙醇，室温下将其搅拌均匀配制成混合液B；

(3)配置40ml质量分数为3%的PVP（Mw=55000）-乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用去离子水稀释后，在50℃条件下加热磁力搅拌8h；

(5)将步骤（4）中所得溶液转入反应釜中，于120℃下反应12h；

(6)将步骤（5）中反应完后所得的溶液自然冷却，之后再用体积比为1：1的己烷和异丙醇的混合液，12000rpm/min离心洗涤4次，用异丙醇稀释，即得到分散较好的铜纳米线分散液。

根据附图8～12可知，本方法制得的铜纳米线内部结构连续、尺寸较为均匀；该铜纳米线的长度在80～100μm，直径在30～45nm，且该铜纳米线没有终端颗粒。

实施例 3

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，它是按照以下步骤进行的：

(1)称取0.02mol的氯化铜和0.02mol的葡萄糖，加入1000ml去离子水室温下溶解搅拌均匀，得到蓝色溶液A；

(2)量取40ml油胺、40μl油酸，以及70ml无水乙醇，室温下将其搅拌均匀配制成混合液B；

(3)配置20ml质量分数为3%的PVP（Mw=1300000）-乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用去离子水稀释后，在60℃条件下加热磁力搅拌7h；

(5)将步骤（4）中所得溶液转入反应釜中，于110℃下反应4h；

(6)将步骤（5）中反应完后所得的溶液自然冷却，之后再用体积比为0.5：1的己烷和异丙醇的混合液，12000rpm/min离心洗涤4次，用异丙醇稀释，即得到分散较好的铜纳米线分散液。

根据附图13和14可知，该铜纳米线的长度在10～25μm，直径在90～110nm，该铜纳米线没有终端颗粒。

实施例 4

一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，它是按照以下步骤进行的：

(1)称取0.02mol的硝酸铜和0.02mol的葡萄糖，加入1200ml去离子水室温下溶解搅拌均匀，得到蓝色溶液A；

(2)量取40ml油胺、40μl油酸，以及80ml无水乙醇，室温下将其搅拌均匀配制成混合液B；

(3)配置20ml质量分数为7%的PVP（Mw=1300000）-乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用去离子水稀释后，在40℃条件下加热磁力搅拌10h；

(5)将步骤（4）中所得溶液转入反应釜中，于130℃下反应5h；

(6)将步骤（5）中反应完后所得的溶液自然冷却，之后再用体积比为1.5：1的正己烷和异丙醇的混合液，10000rpm/min离心洗涤3次，用异丙醇稀释，即得到分散较好的铜纳米线分散液。

Claims (6)

1.一种不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于，它是按照以下步骤进行的：

(1)配制二价铜盐和葡萄糖的混合水溶液A；

(2)配制油胺和油酸的无水乙醇溶液B；

(3)配制聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液C；

(4)将A、B和C混合，用水稀释后，在30～80℃下搅拌2～12h；

(5)将步骤（4）中所得溶液于100～130℃下反应4～24h；

其中的二价铜盐、葡萄糖、油胺、油酸和聚乙烯吡咯烷酮的用量，按照以下摩尔比配置：二价铜盐：葡萄糖：油胺：油酸：聚乙烯吡咯烷酮=1:0.5～2：4～8：0.05～0.12：0.5～2.2。

2.如权利要求1所述不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于，它还包括有步骤(6)：将步骤（5）中反应完后所得的溶液用正己烷和异丙醇的混合液，在8000～12000rpm/min离心洗涤数次，分散在异丙醇中。

3.如权利要求1或2所述不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于：所述二价铜盐选择为氯化铜、硫酸铜、醋酸铜或硝酸铜。

4.如权利要求3所述不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于，其中的二价铜盐、葡萄糖、油胺、油酸和聚乙烯吡咯烷酮的用量，按照以下摩尔比配置：二价铜盐：葡萄糖：油胺：油酸：聚乙烯吡咯烷酮=1:1:6:0.06:1.1。

5.如权利要求4所述不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮选择为重均分子量为55000、360000或1300000中的一种；所述步骤（3）中配制的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液C中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为2%～7%。

6.如权利要求1所述不同长径比的铜纳米线的合成方法，其特征在于，它具体是按照以下步骤进行的：

(1)称取1.7～6.8g氯化铜和1.98～7.92g葡萄糖，加入500ml去离子水，室温下搅拌均匀得到蓝色溶液A；

(2)量取20～80ml油胺、20～80μl油酸和140ml无水乙醇，室温下搅拌均匀得到混合液B；

(3)称取相对分子质量为55000的聚乙烯吡咯烷酮 5～20g,加入50ml无水乙醇搅拌均匀，得到混合液C；

(4)将上述A、B和C混合，用去离子水稀释至1000～4000ml，在30～80℃下，加热搅拌2～12h，得到青灰色溶液；

(5)将步骤（4）中所得溶液转移到反应釜中，于110～130℃下反应4～24h；

(6) 将步骤（5）中反应完全后所得的溶液自然冷却，用体积比为0.5～2：1的正己烷和异丙醇的混合液，在8000～12000rpm/min条件下离心洗涤4次，分散在异丙醇中，即可。