利用有机添加剂控制氧化亚铜晶体外部形态的制备方法

摘要

本发明公开了一种利用有机添加剂控制氧化亚铜晶体外部形态的制备方法。将硫酸铜溶于水中，搅拌；再加入摩尔数为硫酸铜8～10倍的乳酸钠，继续搅拌；利用摩尔浓度为4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0；在溶液中加入5～15毫升的有机添加剂。将最终配好的溶液放入高压釜中，在150～180℃温度范围内水热处理4～8小时。最后，将处理好的溶液离心、干燥，就获得具有不同形态的立方相氧化亚铜粉体。本发明提出的利用有机添加剂控制氧化亚铜晶体外部形态的制备方法，通过控制有机添加剂的种类与剂量，来控制氧化亚铜晶体中(100)面与(111)面的相对生长速率，从而制备具有不同形态的立方相氧化亚铜粉体。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用有机添加剂控制氧化亚铜晶体外部形态的制备方法。

背景技术

氧化亚铜(Cu₂O)是一种非常重要的氧化物半导体材料，其禁带宽度为2.1eV，可以被波长为400～800nm的可见光激发，而且制备成本低、理论利用效率较高，在太阳能电池、催化剂、燃料电池、气敏传感器和超导材料等领域都有着重要的应用。近年来，随着氧化亚铜在科研与生产领域的广泛应用，氧化亚铜晶体的生长机理得到了越来越多的关注。氧化亚铜晶体属于立方晶系，其晶体结构及内部的点缺陷构成对于材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能有着重要影响。因此实现氧化亚铜的晶体结构及外部形状可控，不仅对于研究氧化亚铜晶体生长机理具有重要的意义，而且可以调节晶体的各种性能以满足不同器件的具体要求，达到器件性能最优化的目的。

水热法是制备氧化亚铜晶体的重要方法(Ming-Guo Ma，et al.，Journal ofAlloys and Compounds，455，L15-L18，(2008))。水热法其特点是在封闭容器(反应釜)中进行反应，使一些在常温常压下难发生的反应在高温高压下发生。水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体，避免了可能形成的粉体硬团聚，而且水热过程中，可通过实验条件的调节来控制产物的晶体结构、粒径、结晶形态与晶粒纯度。利用乳酸钠作为铜盐的络合剂与还原剂，较之传统采用乙二胺四乙酸(EDTA)与葡萄糖作为络合剂合成氧化亚铜晶体的水热合成工艺，时间得以大幅缩短。本发明利用有机添加剂：乙醇、丙酮与异丙醇控制氧化亚铜晶体中不同晶面：(100)面与(111)面的相对生长速率，达到控制氧化亚铜晶体外部形态的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现氧化亚铜晶体形状可控的制备方法，利用乳酸钠与铜盐(硫酸铜)形成络合物，通过控制有机添加剂的种类与剂量，来控制氧化亚铜立方晶体中(100)面与(111)面的相对生长速率，从而制备具有不同外部形态的氧化亚铜粉体。

本发明采用的技术方案是该方法的步骤如下：

1)将可溶性铜盐溶于水中，控制溶液中铜离子的摩尔浓度为0.02～0.04摩尔/升，搅拌；

2)再在上述溶液中加入摩尔浓度为铜离子的摩尔浓度8～10倍的乳酸钠，继续搅拌；

3)利用4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0；

4)在溶液中加入5～15毫升的有机添加剂；

5)将配好的溶液放入高压釜中，在150～180℃温度范围内水热处理4～8小时；

6)将水热处理后的溶液离心、干燥，就得到了立方相氧化亚铜粉体。

所述的采用硫酸铜为可溶性铜盐，所述乳酸钠作为络合剂与还原剂，通过控制有机添加剂的种类与剂量，来控制氧化亚铜立方晶体中(100)面与(111)面的相对生长速率，从而制备具有不同外部形态的氧化亚铜粉体。

所述的有机添加剂为乙醇、丙酮或异丙醇。

本发明具有的有益效果是：

传统合成氧化亚铜晶体的水热合成工艺一般采用乙二胺四乙酸(EDTA)与葡萄糖作为络合剂，木发明提出利用乳酸钠作为铜盐的络合剂与还原剂，使水热生成氧化亚铜晶体的时间得以缩短。利用控制有机添加剂的种类与剂量的简单方法，来控制氧化亚铜晶体中(100)面与(111)面的相对生长速率，实现氧化亚铜晶体的形态可控。

附图说明

图1是比较例所得氧化亚铜晶体的XRD图谱。

图2是比较例所得氧化亚铜晶体的扫描电镜照片。

图3是实施例1所得氧化亚铜晶体的XRD图谱。

图4是实施例1所得氧化亚铜晶体的扫描电镜照片。

图5是实施例2所得氧化亚铜晶体的的XRD图谱。

图6是实施例2所得氧化亚铜晶体的扫描电镜照片。

图7是实施例3所得氧化亚铜晶体的的XRD图谱。

图8是实施例3所得氧化亚铜晶体的扫描电镜照片。

具体实施方式

比较例：

将0.3995克硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)溶于75.0毫升去离子水中，搅拌5分钟后，加入2.5毫升浓度为60％的乳酸钠(C₃H₅NaO₃)，乳酸钠摩尔浓度为0.2摩尔/升，搅拌5分钟后，利用4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0，不加入任何有机添加剂，搅拌5分钟。用去离子水调节最终的溶液量为80.0毫升，溶液中铜离子摩尔浓度0.02摩尔/升。把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里。该溶液在150℃下处理8小时，把处理好的溶液离心和干燥，获得外部形态如图1扫描电镜照片所示的氧化亚铜粉体。图2是该氧化亚铜晶体的XRD图谱，该图谱与立方相氧化亚铜的标准卡片(JCPDS No.65-3288)完全吻合。

实施例1：

将0.3995克硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)溶于65.0毫升去离子水中，搅拌5分钟后，加入2.5毫升浓度为60％的乳酸钠(C₃H₅NaO₃)，乳酸钠摩尔浓度为0.2摩尔/升，搅拌5分钟后，利用4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0。加入10.0毫升乙醇，搅拌5分钟。用去离子水调节最终的溶液量为80.0毫升，溶液中铜离子摩尔浓度0.02摩尔/升。把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里。该溶液在150℃下处理8小时，把处理好的溶液离心和干燥，获得外部形态如图3扫描电镜照片所示的氧化亚铜粉体。图4是该氧化亚铜晶体的XRD图谱，该图谱与立方相氧化亚铜的标准卡片(JCPDS No.65-3288)完全吻合。

实施例2：

将0.7990克硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)溶于60.0毫升去离子水中，搅拌5分钟后，加入4.0毫升浓度为60％的乳酸钠(C₃H₅NaO₃)，乳酸钠摩尔浓度为0.32摩尔/升，搅拌5分钟后，利用4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0。加入15.0毫升异丙醇，搅拌5分钟。用去离子水调节最终的溶液量为80.0毫升，溶液中铜离子摩尔浓度0.04摩尔/升。把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里。该溶液在150℃下处理8小时，把处理好的溶液离心和干燥，获得外部形态如图5扫描电镜照片所示的氧化亚铜粉体。图6是该氧化亚铜晶体的XRD图谱，该图谱与立方相氧化亚铜的标准卡片(JCPDS No.65-3288)完全吻合。

实施例3：

将0.3995克硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)溶于70毫升去离子水中，搅拌5分钟后，加入2.5毫升浓度为60％的乳酸钠(C₃H₅NaO₃)，乳酸钠摩尔浓度为0.2摩尔/升，搅拌5分钟后，利用4.0摩尔/升的氢氧化钠调节溶液的pH值为7.0。加入5.0ml丙酮，搅拌5分钟。用去离子水调节最终的溶液量为80.0毫升，溶液中铜离子摩尔浓度0.02摩尔/升。把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里。该溶液在150℃下处理8小时，把处理好的溶液离心和干燥，获得外部形态如图7扫描电镜照片所示的氧化亚铜粉体。图8是该氧化亚铜晶体的XRD图谱，该图谱与立方相氧化亚铜的标准卡片(JCPDS No.65-3288)完全吻合。