一种具有多棱边结构的立方形铜颗粒的制备方法与流程

1.本发明涉及功能材料的制备技术领域，具体涉及一种具有多棱边结构的立方形铜颗粒的制备方法。


背景技术：

2.与贵金属颗粒相比，铜颗粒也具有优异的光学、电学、热学和催化性能，并在许多领域中都具有重要的应用潜能，同时储量丰富，价格低廉，逐渐成为替代金、银等材料的选择。
3.铜颗粒按照结构和形貌的不同可分为线、棒、片、球、立方体、八面体等，到目前为止，已经探索出很多方法制备线、棒、球和八面体等结构的铜颗粒，而片状或立方体状的铜颗粒的相关报道则相对较少。
4.同时，铜颗粒在光和催化方面的性能与颗粒的比表面积具有很大关系，通过控制其不同类别的形状和结构的合成以改变比表面积，提升光性能和催化性能的技术已较为成熟，而在同一类别的形状下对颗粒进行二次创新和提升的相关报道则相对较少，如增加颗粒的边/角数目，同样可以提升比表面积。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明提供一种具有多棱边结构的立方形铜颗粒的制备方法，提出了一种制备立方形铜颗粒的制备方法，并对颗粒进行二次生长，通过在单立方形铜颗粒上引入更多棱边，提高了立方形铜颗粒的比表面积，使其具有更多的接触位点，增强其光学性能和催化活性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种具有多棱边结构的立方形铜颗粒的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
8.步骤s1：用铜盐、碱金属氢氧化物、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水配制电解液；
9.步骤s2：将阳极片和阴极片垂直插入电解液中，施加首次电解电流进行首次电解；
10.步骤s3：首次电解结束后，对电解液进行搅拌，施加二次电解电流进行二次电解，所述二次电解电流不大于所述首次电解电流大小的三分之一；
11.步骤s4：二次电解结束后，在阴极片表面得到具有多棱边结构的立方形铜颗粒。
12.进一步，步骤s1中，铜盐为氯化铜、硫酸铜和硝酸铜的一种或几种，电解液中，铜离子浓度为0.1～0.2mol/l，碱金属氢氧化物浓度为0.05～0.1mol/l，聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.04～0.06mol/l。
13.进一步，步骤s2中，首次电解的电流为1.5～2a；步骤s3中，二次电解的电流为0.3～0.5a。
14.再进一步，步骤s2中，首次电解的时间为20～30min，温度为20～50℃；步骤s3中，二次电解的时间为10～20min，温度为50～100℃。
15.再进一步，首次电解和二次电解的电压相同，为20～30v。
16.进一步，步骤s2中，阳极片是直径为10～20mm，厚度为2～4mm的铜圆片，连接直流电源正极；阴极片是直径为10～20mm，厚度为2～4mm的石墨圆片，连接所述直流电源负极。
17.进一步，步骤s2中，阳极片和阴极片的间隔距离为5～10mm。
18.进一步，步骤s3中，搅拌速度为800rpm～1200rpm。
19.进一步，所述碱金属氢氧化物为氢氧化钠。
20.进一步，还包括步骤s5，其在步骤s4之后，步骤s5为：取出阴极片，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，之后在30～50℃下干燥5～10min。
21.与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
22.1.本发明在现有技术基础上引入二次电解，对立方形铜颗粒进行二次创新和生长，进一步得到了具有多棱边结构的立方形铜颗粒，在不改变颗粒形状和结构类别(恒为立方体，而未成为如棒、线、片等其他结构)的前提下增加其比表面积，使颗粒具有更多的活性位点和接触面积，光学和催化性能得以提升。
23.2.本发明方法操作简单，原料低廉，且得到的铜颗粒粒径均匀，表面光滑平整。
附图说明
24.图1是实施例1制备的立方形铜颗粒的扫描电镜图；
25.图2是实施例2制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图；
26.图3是实施例3制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图；
27.图4是实施例4制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.实施例1
30.步骤s1：用铜盐、氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水配制电解液；铜盐为硫酸铜，电解液中，铜离子浓度为0.15mol/l，氢氧化钠浓度为0.08mol/l，聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.05mol/l；
31.步骤s2：将阳极片和阴极片垂直插入电解液中，施加首次电解电流进行首次电解；阳极片和阴极片的间隔距离为8mm；阳极片是直径为15mm，厚度为3mm的铜圆片，连接直流电源正极；阴极片是直径为15mm，厚度为3mm的石墨圆片，连接所述直流电源负极；首次电解的电流为1.5a，时间为25min，温度为30℃，电解电压为25v；
32.步骤s3：首次电解结束后，阴极片表面得到立方形铜颗粒。
33.步骤s4：取出阴极片，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，之后在30～50℃下干燥8min。
34.图1是实施例1制备的立方形铜颗粒的扫描电镜图，铜颗粒具有均匀的粒径，且表面光滑平整，粒径为300～400nm。
35.实施例2
36.步骤s1：用铜盐、氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水配制电解液；铜盐为硫酸
铜，电解液中，铜离子浓度为0.15mol/l，氢氧化钠浓度为0.08mol/l，聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.05mol/l；
37.步骤s2：将阳极片和阴极片垂直插入电解液中，施加首次电解电流进行首次电解；阳极片和阴极片的间隔距离为8mm；阳极片是直径为15mm，厚度为3mm的铜圆片，连接直流电源正极；阴极片是直径为15mm，厚度为3mm的石墨圆片，连接所述直流电源负极；首次电解的电流为1.5a，时间为25min，温度为30℃，电解电压为25v；
38.步骤s3：首次电解结束后，对电解液进行搅拌，施加二次电解电流进行二次电解；搅拌速度为1000rpm；二次电解的电流为0.3a，时间为15min，温度为80℃，电解电压仍保持为25v；
39.步骤s4：二次电解结束后，在阴极片表面得到具有多棱边结构的立方形铜颗粒；
40.步骤s5：取出阴极片，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，之后在30～50℃下干燥8min。
41.图2是实施例2制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图，铜颗粒粒径为300～400nm，部分铜颗粒上形成了棱边(如图2中箭头所指)，且有些铜颗粒上的棱边数目多达5条。
42.实施例3
43.步骤s1：用铜盐、氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水配制电解液；铜盐为硫酸铜，电解液中，铜离子浓度为0.15mol/l，氢氧化钠浓度为0.08mol/l，聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.05mol/l；
44.步骤s2：将阳极片和阴极片垂直插入电解液中，施加首次电解电流进行首次电解；阳极片和阴极片的间隔距离为8mm；阳极片是直径为15mm，厚度为3mm的铜圆片，连接直流电源正极；阴极片是直径为15mm，厚度为3mm的石墨圆片，连接所述直流电源负极；首次电解的电流为2a，时间为25min，温度为30℃，电解电压为25v；
45.步骤s3：首次电解结束后，对电解液进行搅拌，施加二次电解电流进行二次电解；搅拌速度为1000rpm；二次电解的电流为0.5a，时间为15min，温度为80℃，电解电压仍保持为25v；
46.步骤s4：二次电解结束后，在阴极片表面得到具有多棱边结构的立方形铜颗粒；
47.步骤s5：取出阴极片，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，之后在30～50℃下干燥8min。
48.图3是实施例3制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图，铜颗粒粒径为100～500nm，其中多集中在200nm，部分铜颗粒上形成了棱边(如图3中箭头所指)，且有些铜颗粒上的棱边数目多达10条。
49.实施例4
50.步骤s1：用铜盐、氢氧化钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水配制电解液；铜盐为硫酸铜，电解液中，铜离子浓度为0.15mol/l，氢氧化钠浓度为0.08mol/l，聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.05mol/l；
51.步骤s2：将阳极片和阴极片垂直插入电解液中，施加首次电解电流进行首次电解；阳极片和阴极片的间隔距离为8mm；阳极片是直径为15mm，厚度为3mm的铜圆片，连接直流电源正极；阴极片是直径为15mm，厚度为3mm的石墨圆片，连接所述直流电源负极；首次电解的
电流为1.5a，时间为25min，温度为30℃，电解电压恒为25v；
52.步骤s3：首次电解结束后，对电解液进行搅拌，施加二次电解电流进行二次电解；搅拌速度为1000rpm；二次电解的电流为0.7a，时间为15min，温度为80℃，电解电压仍保持为25v；
53.步骤s4：二次电解结束后，在阴极片表面得到具有多棱边结构的立方形铜颗粒；
54.步骤s5：取出阴极片，先用去离子水冲洗，再用无水乙醇冲洗，之后在30～50℃下干燥8min。
55.图4是实施例4制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒的扫描电镜图，铜颗粒粒径为300～400nm，部分铜颗粒上形成了多棱边(如图4中箭头所指)，但在颗粒表面又多生长出一层膜，颗粒分散性变差。
56.实施例1和实施例2的区别在于，实施例1仅进行了首次电解，而实施例2先后进行了首次电解和二次电解。引入二次电解的实施例2得到的铜颗粒(如图2所示)，相较于仅有一次电解的实施例1得到的铜颗粒(如图1所示)，两者的铜颗粒大小尺寸相当，但实施例2得到的铜颗粒上形成了多棱边结构，如图2中箭头所示。
57.实施3和实施例2的区别在于，实施例3的首次电解电流和二次电解电流都更大，得到的铜颗粒粒径为100～500nm，其中多集中在200nm，相较于实施例2，尺寸更小；而实施例3的铜颗粒具有更多的棱边数，有些铜颗粒上的棱边数目多达10条。
58.实施4和实施例2的区别在于，实施例4中二次电解电流更大，制备的具有多棱边结构的立方形铜颗粒具有与实施例2相同的粒径大小且也具有多棱边，但颗粒表面又生长出一层铜膜，使得颗粒不具有良好的分散性。
59.综上可以说明：首次电解是得到立方形铜颗粒的步骤，且首次电解电流越大，颗粒粒径越小；二次电解是得到多棱边的不可或缺的步骤，且在合理范围内二次电解电流越大，棱边数目越多，但当二次电解电流超出合理范围时，如实施例4，反而使得在颗粒表面又多生长出一层膜，颗粒分散性变差。
60.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。