一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法和裝置，具體步驟將含NaCl、NaOH和NaNO3的電解質溶液倒入微等離子體反應器；打開氬氣瓶，調節(jié)流量計控制氣體流量，待氣流穩(wěn)定后開啟直流高壓電源，電壓到達2000V左右時，溶液與不銹鋼管之間的氣體被擊穿，產(chǎn)生明亮的微等離子體，隨后立即調節(jié)電壓使放電穩(wěn)定運行，納米氧化亞銅制備開始，放電處理反應5～20min，完成納米氧化亞銅的制備。可以根據(jù)實際要求完成納米氧化銅的制備過程，簡單、低成本、高效的制備出納米氧化銅材料。
【專利說明】一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法和裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米材料制備【技術領域】，特別是涉及一種利用微等離子體制備納米氧 化亞銅的方法和裝置。

【背景技術】
[0002] 納米材料因其具有獨特性能和廣闊應用前景而引起不同業(yè)界的廣泛關注。氧化亞 銅（Cu 20)是一種重要的P型半導體材料，能夠廣泛應用于電極材料、太陽能轉換、傳感器、 催化和環(huán)境等諸多領域，特別的是，對于那些比表面積大呈多孔結構的氧化亞銅納米材料， 它們能夠作為吸附劑將廢水中的有機污染物選擇性去除。另外，氧化亞銅具有來源廣、生產(chǎn) 成本低、無毒、易制備以及環(huán)境友好型等特點，因而引起人們極大的研究興趣。
[0003] 目前，制備不同形貌和結構氧化亞銅納米材料的方法很多，比如固相法、水熱法、 電化學方法、化學氣相沉積、溶劑熱合成法以及聲化學法等，這些方法都有各自的局限性， 如固相法然產(chǎn)量很大，制備工藝簡單，但是反應耗能過高，污染較嚴重。因此，經(jīng)濟、高效地 制備納米氧化亞銅，除改進現(xiàn)有的技術外，尚須發(fā)展新的技術。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法和裝 置。該方法和裝置可實際應用于制備氧化亞銅納米顆粒，優(yōu)勢在于簡單、高效、能耗和氣體 消耗低，具有潛在的發(fā)展前景。
[0005] 本發(fā)明為達到以上目的，是通過以下的技術方案來實現(xiàn)的：
[0006] 提供一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法，1)將含NaCl、NaOH和NaN03 的電解質溶液倒入微等離子體反應器；2)打開氬氣瓶，調節(jié)流量計控制氣體流量，待氣流 穩(wěn)定后開啟直流高壓電源，電壓到達2000V左右時，溶液與不銹鋼管之間的氣體被擊穿，產(chǎn) 生明亮的微等離子體，隨后立即調節(jié)電壓使放電穩(wěn)定運行，納米氧化亞銅制備開始，放電處 理反應5?20min，完成納米氧化亞銅的制備。
[0007] 本發(fā)明制備納米氧化亞銅的原理：本發(fā)明以微等離子體做陰極，其與陽極銅片通 過電解介質連接構成微等離子體電化學體系，氣體擊穿產(chǎn)生微等離子體之后，微等離子體 攜帶的大量高能電子進入反應介質，并發(fā)生如下反應：
[0008] 陰極區(qū)反應：
[0009] 2H20+2e = Η2 ? +20Η
[0010] 陽極區(qū)反應：
[0011] Cu + nCr-e~ = CuCl^n
[0012] 溶液內(nèi)發(fā)生的氧化還原反應：
[0013] 2CUC11；" + 20H" = Cu201+H20 + 2nCr
[0014] 因此，總反應方程式為：
[0015] 2Cu+H20 = H2 個 +Cu20
[0016] 提供一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的裝置，包括微等離子體反應器、給 微等離子體反應器供電的直流高壓電源（1)和給微等離子體反應器供氣的氬氣瓶（9);微 等離子體反應器采用玻璃反應器（5)，溶液攪拌采用磁力攪拌器（8)，陽極主體為毛細不銹 鋼管（3)，氬氣從氬氣瓶經(jīng)過玻璃轉子流量計注入不銹鋼電極體內(nèi)直至反應器中；不銹鋼 電極垂直置于反應溶液上方，電極出氣端距離溶液表面2mm;陰極為銅片（4);銅片通過串 聯(lián)鎮(zhèn)流電阻（2)與直流高壓電源的接地端連接；啟動直流高壓電源后，不銹鋼電極與液面 之間產(chǎn)生微等離子體（6)，體系形成通路。
[0017] 本發(fā)明可以根據(jù)實際要求完成納米氧化銅的制備過程，簡單、低成本、高效的制備 出納米氧化銅材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明方法的裝置示意圖。
[0019] 圖中：1直流高壓電源、2鎮(zhèn)流電阻、3不銹鋼管、4銅片、5玻璃反應器、6微等離子 體、7磁力攪拌器、8玻璃轉子流量計、9氬氣瓶。
[0020] 圖2為微等離子體在不同電解介質中放電制得產(chǎn)物的XRD譜圖：(a)純水-乙二 醇（體積比1 : 1)，（b)純水。
[0021] 圖3為不同電解介質中微等離子體放電制備所得產(chǎn)物的FESEM圖：（a)純水，（b) 純水-乙二醇（體積比1 : 1)。

【具體實施方式】
[0022] 實施例
[0023] 如附圖1所示，微等離子體反應器采用玻璃反應器，高8. 5cm，內(nèi)徑5. 5cm。陽極為 銅片，長3cm，寬lcm，厚1mm。60mL/min氦氣從氦氣瓶經(jīng)過玻璃轉子流量計注入不銹鋼電 極體內(nèi)直至反應器中。不銹鋼電極垂直置于反應溶液上方，電極出氣端距離溶液表面2mm。 陰極為鎢棒，長15cm，直徑2_。鎢棒通過串聯(lián)10k Ω鎮(zhèn)流電阻與直流高壓電源的接地端連 接。兩個電極保持3cm的距離。啟動直流高壓電源后，不銹鋼電極與液面之間產(chǎn)生微等離 子體，體系形成通路。溶液攪拌采用數(shù)顯恒溫磁力攪拌器。
[0024] 反應前將銅片表面的氧化膜用400目砂紙擦掉，然后用稀鹽酸清洗去除銅片表面 氧化物以及其他雜質，最后用乙醇、去離子水沖洗干凈，晾干備用。配制純水以及純水-乙 二醇混合兩種電解介質溶液，其中NaCl、NaOH和NaN0 3的濃度分別為150g/L、lg/L和1. 3g/ L，取40mL溶液倒入反應器。將氬氣通入不銹鋼針管內(nèi)，其流量通過玻璃轉子流量計控制在 60mL/min。裝置連接完畢之后，開啟直流高壓電源，電壓到達2000V左右時，溶液與不銹鋼 管之間的氣體被擊穿，產(chǎn)生明亮的微等離子體，隨后立即調節(jié)電壓使放電穩(wěn)定運行，納米氧 化亞銅制備開始，反應20min。放電結束后，將橙色產(chǎn)物離心分離過濾，并依此用乙醇和去離 子水洗滌數(shù)次，最后置于60°C真空干燥箱干燥6h。
[0025] 電解介質對納米材料的制備產(chǎn)生重要影響。因此，考察純水以及純水-乙二醇混 合（體積比為1 : 1)介質對制備結果的影響（實驗條件：電流密度，14mA/cm2 ;室溫；無攪 拌）。圖2顯示了相同實驗條件下微等離子體處理不同電解介質（水和水-乙二醇（體積 比1 : 1))得到產(chǎn)物的XRD譜圖（掃描范圍2 Θ = 1〇?80° )。對于純水-乙二醇介質， 圖2(a)中可以看到五個明顯的衍射峰，峰位依次位于2 Θ = 29. 60°、36. 47°、42. 38°、 61.40°、73· 56°，其所對應的晶面分別為（110)、（111)、（200)、（220)、（311)。該產(chǎn)物的衍 射譜與標準衍射數(shù)據(jù)庫中Cu 20晶體的譜圖（JCPDS 05-667)相吻合。此外，圖中沒有其他雜 峰出現(xiàn)，說明產(chǎn)物純度很高。因此，純水-乙二醇（1 : 1)作為電解介質時，微等離子體能 夠制備出純度較高的Cu20晶體。而對于純水介質來說，從圖2(b)中能夠看到除已提到的 五個衍射峰外，還存在其他衍射峰，其中包括CuO和CuCl的衍射峰。圖3是不同溶劑作為 電解介質時微等離子體合成得到產(chǎn)物的冷場掃描電鏡圖。圖中可以明顯看出兩種介質得到 的產(chǎn)物形貌截然不同。從圖3(a)可以看出，在純水介質中，微等離子體制備出形狀各異、大 小不一的納米晶體，例如納米線、納米片，納米球等。由XRD分析可知，這種混亂的現(xiàn)象是其 他雜質如CuO和CuCl的生成引起的。相比之下，對于純水-乙二醇（體積比1 : 1)介質， 制備得到的晶體統(tǒng)一呈球形，顆粒尺寸范圍在〇. 2?2μ m(圖3(b))。因此，電解介質為純 水-乙二醇混合（體積比1 : 1)溶液時才能得到形狀相同（球形）的Cu20微納米級顆粒。
[0026] 上述XRD和FESEM結果說明電解介質對產(chǎn)物成分和形貌的影響很大。純水-乙二 醇作為電解介質時，不僅可以防止副產(chǎn)物氧化銅和氯化亞銅的生成，又可以有效控制產(chǎn)物 Cu20的形貌。
【權利要求】
1. 一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的方法，其特征在于該方法的步驟如下：將 含NaCl、NaOH和NaN0 3的電解質溶液倒入微等離子體反應器；打開氬氣瓶，調節(jié)流量計控制 氣體流量，待氣流穩(wěn)定后開啟直流高壓電源，電壓到達2000V左右時，溶液與不銹鋼管之間 的氣體被擊穿，產(chǎn)生明亮的微等離子體，隨后立即調節(jié)電壓使放電穩(wěn)定運行，納米氧化亞銅 制備開始，放電處理反應5?20min,完成納米氧化亞銅的制備。
2. 根據(jù)權利要求1所述方法的一種利用微等離子體制備納米氧化亞銅的裝置，其特征 在于包括微等離子體反應器、給微等離子體反應器供電的直流高壓電源（1)和給微等離子 體反應器供氣的氬氣瓶（9);微等離子體反應器采用玻璃反應器（5)，溶液攪拌采用磁力攪 拌器（8)，陽極主體為毛細不銹鋼管（3)，氬氣從氬氣瓶經(jīng)過玻璃轉子流量計注入不銹鋼電 極體內(nèi)直至反應器中；不銹鋼電極垂直置于反應溶液上方，電極出氣端距離溶液表面2mm ; 陰極為銅片（4);銅片通過串聯(lián)鎮(zhèn)流電阻（2)與直流高壓電源的接地端連接；啟動直流高壓 電源后，不銹鋼電極與液面之間產(chǎn)生微等離子體（6)，體系形成通路。
【文檔編號】C25B1/00GK104047017SQ201410314189
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權日:2014年7月1日
【發(fā)明者】杜長明 申請人:中山大學