氧化铜纳米粒子的制备与表征

崔 萌

（吉林化工学院 材料科学与工程学院， 吉林 吉林 132011）

氧化铜纳米粒子的制备与表征

崔 萌

（吉林化工学院 材料科学与工程学院， 吉林 吉林 132011）

纳米材料具有诸多优良特性，使其具有物理性质与常规块体材料不同，被誉为本世纪最有前途的材料。纳米氧化铜具有低熔融温度、低分解温度和高热释放已经成为可用于亚稳态含能复合材料中的比较理想的氧化剂材料。以PEG为模板，用CuCl2·2H2O和NaOH为原料，通过溶液反应制备CuO纳米粒子。分别讨论了反应物配比、PEG的分子量、PEG用量对产物形貌的影响，以得到制备CuO纳米粒子的最佳实验条件。

氧化铜；纳米粒子；模板法

纳米材料具有与常规块体材料不同的诸多优良特性，被誉为本世纪最有前途的材料[1]。CuO纳米粒子具有低熔融、低分解温度和高热释放已经成为可用于亚稳态含能复合材料中的比较理想的氧化剂材料[2,3]。在作为氧化剂时，纳米CuO可以吸引更宽直径分布的燃料粒子复合，复合时二者接触面积比较大，复合物的燃烧波速度比较大[4-7]，因此需要在对纳米氧化铜材料上开展研究工作。

本文以PEG为模板，用CuCl2·2H2O和NaOH为原料，通过溶液反应制备CuO纳米线。实验发现，反应物配比、PEG的分子量和用量都会影响产物的形貌和分散性。通过各参数对实验结果的影响分析，得出能够得到理想结构的最佳反应条件：选用PEG400作为模板，PEG400与Cu2+的摩尔配比为1，PEG400与去离子水的摩尔配比为0.34。

1 实验部分

（1）将CuCl2·2H2O溶解在PEG和去离子水的混合溶液中，将此混合溶液放入超声清洗器中超声处理使其均匀分散。

（2）在另一个烧杯中，将NaOH溶解在PEG和去离子水的混合溶液中，将此混合溶液放入超声清洗器中超声处理使其均匀分散。

（3）将两种溶液混合，超声处理，加过量乙醇静置一夜。后用无水乙醇和去离子水轮番清洗生成物，并用AgNO3溶液滴定，直至Cl-完全清除，后对生成物离心分离，将产物在95 ℃下保温一夜，再研磨成粉体，在400 ℃下煅烧即得到CuO纳米粉体。

2 结果与讨论

2.1 [Cu2+]/[OH-] 对产物粒径及分散性的影响

选择[PEG]/[Cu2+]为1.5，PEG分子量为400，取[Cu2+]/[OH-]分别为0.34、0.39和0.47得到样品分别为a1、b1和c1，对三个样品分别进行SEM表征结果如图1所示。

由图可知，[Cu2+]/[OH-]=0.34时，CuO在电镜下呈球形或类球形，分散性很好，但是粒子颗粒大小不均匀，最大颗粒粒径约100 nm，最小颗粒粒径约为20 nm，当[Cu2+]/[OH-]=0.39时，最大颗粒粒径约150 nm，最小颗粒粒径约为 10 nm，当[Cu2+]/[OH-]=0.47时，最大颗粒粒径约为200 nm，最小颗粒粒径约为20 nm。

图1 不同[Cu2+]/[OH-]下样品的SEMFig.1 SEM of different [Cu2+]/[OH-] sample

比较不同[Cu2+]/[OH-]时制得的 CuO样品的SEM：当NaOH的用量增大，随配比增大，样品逐渐由菱形向球形转化，产物粒子分散性略有改善，但尺寸分布不均匀。[Cu2+]/[OH-]=0.39时，样品为长径(150±50)nm，短径为(50±10)nm左右的菱形颗粒；[Cu2+]/[OH-]=0.34时，样品为长径(100±50)nm，短径为(40±10)nm 左右的球形颗粒；[Cu2+]/[OH-]=0.47时，样品为长径(200±50)nm，短径(20±10)nm左右的不规则颗粒。由此可知：反应物的配比不同，将导致产物微观粒子尺寸不均一性的改变，进而影响到产物的性质。

2.2 PEG分子量对产物粒径及分散性的影响

选择[PEG]/[Cu2+]为1.5，[Cu2+]/[OH-]为0.34，PEG分子量为400，取PEG分子量分别为200、400和800得到样品分别为a2、b2和c2，对三个样品分别进行SEM表征结果如图2所示。

图2 不同分子量PEG作为模板制备的纳米氧化铜的SEMFig.2 SEM of product prepared by using PEG with differentmolecular weight

由图2可知，PEG800作为模板时，粒子颗粒大小不均匀，最大的颗粒粒径约为100 nm，最小颗粒粒径约为20 nm，颗粒间紧密连接成小团聚体，分散性较差。对照发现PEG400和PEG200作为模板时，产物粒子的分散性好，这可能与反应体系的反应速度有关，由实验过程知，PEG800作为模板时，反应速度比较慢，反应进行的比较温和，因此纳米颗粒均匀程度较好，产物结构紧密，超声波振荡不易打破颗粒间的团聚。由此可以通过运用不同的表面活性剂来调节纳米CuO的分散性。

2.3 PEG用量对产物粒径及分散性的影响

选用PEG400作为模板，[Cu2+]/[OH-]为 0.34，改变[PEG]/[Cu2+]分别为1.5、1、0.8，得到样品为a3、 b3、c3，三份样品的SEM图谱如图3所示。

图3 不同[PEG400]/[Cu2+]下纳米CuO的SEMFig.3 SEM of different [PEG400]/[Cu2+] sample

图3是[PEG400]/[Cu2+]=0.8、1、1.5时制得的样品的 SEM图像，可以看到表面活性剂加入量的提高，颗粒尺寸分布变窄，平均粒径从100 nm，形成长度为8 μm，直径为200 nm的纳米线，继续提高表面活性剂的用量，发现颗粒的平均粒径有所增加，颗粒的分散性有所提高。从上面的SEM图像当中可以看到，在PEG400与[Cu2+]比值为1时，得到的样品的形貌为线状，长径比比较理想，由此也可以判断出合成CuO纳米粒子的较好实验方案。

3 结 论

稀溶液中PEG分子可充分舒展，形成比较长的线状模板，晶体在线状模板上生长，产物形貌也更接近线状结构，通过实验分析得到各因素对产物形貌影响如下：

（1）[Cu2+]/[OH-]不同，产物的形貌和分散性会发生很大变化，当[Cu2+]/[OH-]=0.34时，产物的分散性及均一程度较好；

（2）PEG分子量不同，在它作为模板的使用过程中也会使产物的形貌以及粒径发生比较大的差别，选择PEG400是最好的；

（3）通过实验中各个反应参数对实验结果的影响分析，得出能够得到纳米结构的较好反应条件为采用液相反应法选用 PEG400作为反应模板，PEG400与Cu2+的摩尔配比为1，[Cu2+]/[OH-]=0.34。

［1］洪伟良,等. 纳米 CuO的制备及其对热分解特性的影响[J]. 推进技术, 2001, 22(3)：254.

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Preparation and Characterization of CuO Nanoparticles

CUI Meng

（School of Materials Science and Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132011, China）

Nano-materials have many good characteristics, their physical properties are different from common bulk materials, so they are honored as the most promising material. The nano-level copper oxide has low melting temperature, low decomposition temperature and high heat release behavior, so it has become ideal oxidant material for energetic metastable composite materials. In this thesis, copper oxide nanoparticles were prepared from CuCl2•2H2O and NaOH by solution reaction with polyethylene glycol (PEG) as template. Effects of reactants ratio, PEG molecular weight and PEG dosage on the appearance of the product were investigated to obtain the best preparation conditions of copper oxide nanoparticles.

Copper oxide；Nanoparticles；Template

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0497-02

2014-10-08

崔萌（1986-），女，吉林省吉林市人，助教，博士在读，2012年毕业于北京理工大学材料学专业，研究方向：功能材料。