纳米铜颗粒的研究现状

刘花蓉

(四川建筑职业技术学院，四川　德阳　618000)



纳米铜颗粒的研究现状

刘花蓉

(四川建筑职业技术学院，四川德阳618000)

纳米铜颗粒具有量子尺寸效应、高导热率、电阻低以及高效的催化活性等优异特性，在诸多领域具有重要的应用价值。本文介绍了纳米铜颗粒的制备方法，主要包括机械球磨法、离子溅射法、电爆炸法、微乳液法、液相还原法和水热法。同时，综述了纳米铜颗粒在电学、光学、热学以及催化方面的应用现状以及相关机理，并讨论了纳米铜颗粒在催化方面的发展前景。

纳米铜颗粒；制备；应用；催化

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度或者由纳米尺度的物质为基本结构单元所组成的超细颗粒材料[1]。由于金属纳米颗粒在光学、催化剂、电学、磁性材料等方面具有重要的应用价值，越来越多的研究者致力于金属纳米的合成[2-3]。其中，纳米铜颗粒的制备及应用备受国内外研究学者的关注，主要是因为纳米铜颗粒具有尺寸小、比表面积大、量子尺寸效应、电阻小、宏观量子隧道效应、高导热率、高效催化活性等独特的性能[2-3]。近年来，已有多种关于纳米铜颗粒的制备技术被开发出来。本文综述了纳米铜颗粒的主要制备方法，并对其应用进行了讨论和展望。

1　纳米铜颗粒的制备技术

纳米铜颗粒的制备方法很多，主要包括机械球磨法、离子溅射法、电爆炸法、微乳液法、液相还原法和水热法。

1.1机械球磨法

图1为机械球磨法制备金属纳米的工艺示意图[4]。在该法中，要将待球磨的固体大颗粒与许多钢球同时放入密闭的容器中，然后旋转、振动或摇动该密闭容器[4]。制备纳米金属颗粒是将大晶粒转变为小晶粒的过程，在球磨过程中，大颗粒内部不断有晶格缺陷产生，导致晶界的重新组合从而形成小晶粒[4]。

图1　机械球磨法制备金属纳米的工艺示意图

1.2离子溅射法

离子溅射法一般需要在溅射室内通入惰性气氛(通常使用Ar)，将高达几百伏的直流电压加在阴阳两极。放电过程中，离子撞击到的阴极靶上，惰性气体将冷却靶材蒸发出来的原子，继而形成纳米颗粒[5]。该方法制备的纳米颗粒粒度较整齐。

1.3电爆炸法

电爆炸法是基于脉冲放电技术迅速沉积能量在导体丝上的一种新型制备纳米材料的物理方法。其工作原理(如图2所示)是，导体丝在极短的时间内完成固相-液相-气相-等离子体的相转变，最后冷凝结晶为纳米粉体。将惰性气体Ar气通入电爆炸室内，作为保护气体，施加高电压于两电极之间的导体丝，导体丝在极短的时间熔化并爆炸[6]。此时形成的纳米粉体颗粒悬浮在爆炸室，纳米粉体颗粒通过不断与爆炸室内的低温的保护气体Ar气碰撞交换能量，从而逐渐冷却沉积形成纳米粉体。

图2　电爆炸法的原理示意图[6]

1.4微乳液法

微乳液法是指在表面活性剂的作用下，将两种互不相容的反应物形成比较均匀的微乳液体系，并从微乳液中析出纳米粉体颗粒一种方法。在乳液微泡中，纳米颗粒的生成经历了成核、聚结、团聚和热处理过程[7]。微乳液法常用的表面活性剂：如十六烷基三甲基溴化铵、硬脂酸、琥珀酸二辛酯磺酸钠(AOT)、聚氧乙烯醚类等。微乳液法制备纳米颗粒的操作简单，能耗低，粒径分布窄，粒子不易团聚(粒子表面有表面活性剂作为包覆层)[4]。董春法[7]在不通入任何保护气体的情况下，以硫酸铜为铜源、水合肼为还原剂、阿拉伯树胶(GA)为保护剂，得到单分散的纳米铜溶胶。

1.5液相还原法

液相还原法是基于氧化还原反应机理的一种化学方法。将铜盐制成溶液作为铜源，然后直接向铜源中加入还原剂，从而制备出纳米铜粒子。液相还原法使用较为广泛，主要是该法能高效快速获得产物，且工艺简单，成本低，合成颗粒的形貌可控是该法的最大优点[4]。目前使用最多的还原剂有一缩二乙二醇、硼氢化钠[8]、柠檬酸亚铁、水合肼[9]等。Wu和Chen在十六烷基三甲基溴化铵溶液中，在水合肼的还原作用下，成功合成了铜纳米粒子[9]。主要反应式如下：

(1)

(2)

(3)

通过反应式可以看出，反应过程中产生了氮气，可防止纳米铜颗粒与空气中的氧气反应生成铜的氧化物。

1.6水热法

水热法是一种在高温髙压下，以水为溶剂，在密封的压力容器(通常是可承受高温高压的钢制釜体，即高压釜)中进行有关的化学反应从而制备出纳米颗粒的方法[4]。水热法的基本原理是在高温高压的环境下，水溶液能够溶解那些在大气压下难溶或不溶的物质，通过控制高压釜内的溶液温差产生对流来实现形成过饱和溶液，从而析出晶体的方法[10]。Zhang等[10]即采用水热法成功制备出金属Cu纳米颗粒。

2　纳米铜颗粒的应用

纳米铜颗粒的比表面积大且表面活性中心数目多，因此在电学、生物、光学、催化等领域的具有很大的应用潜力。

2.1纳米铜颗粒在电学方面的应用

由于铜的电阻低，仅高于金属银，价格却远低于银，所以纳米铜颗粒在电路中的使用得到越来越多的关注。Wiley等对所制备的铜纳米线进行了电学性能的测试，结果显示其导电性能很好，预测其在薄膜太阳能电池、平板电视以及柔性显示器中应用前景广阔[4]。原子开关的诞生基于量子导电的特性，主要原理是纳米金属材料一般都存在晶格缺陷，量子干涉效应会引起电子振荡，电子传输就能跨越一个缺陷的距离。

2.2纳米铜颗粒在光学方面的应用

目前最常见的纳米金属颗粒在光学方面的应用之一是UV光谱测试。由于纳米金属颗粒具有等离子体共振(SPR)的光学性能，因而在光学检测、成像、传输等方面的应用得到越来越多的关注[4]。金属纳米颗粒在荧光吸收[12]、表面增强拉曼光谱吸收[13]等方面也得到了重要的应用。Qusai等[12]通过飞秒分辨的光谱图分析发现，30 nm热电子的能量释放(能量释放时间为0.51 ps)速度慢于12 nm热电子的能量释放(能量释放时间为0.37 ps)。

2.3纳米铜颗粒在热学方面的应用

纳米金属颗粒的晶化温度、初始烧结温度和熔点远远低于常规的粉体颗粒，因而使得纳米金属颗粒具有重要的热学特性。E.Ide课题组[4]已经将纳米金属材料的这种热学特性应用于低温焊接方向，使用纳米银颗粒粘结铜。纳米铜成本低，资源比银丰富等特点使得铜纳米在实际应用中具有更广阔的前景。

2.4纳米铜颗粒在催化方面的应用

纳米金属颗粒的比表面积大、吸附能力强和表面活性高等优异特性，使得纳米金属颗粒具有较高的催化效率，在化工催化方面有重要而广泛的使用价值[14-16]。纳米铜因具有选择性强、反应活性高而逐渐被研究者们作为新型催化剂使用[4]，比如在蒸气的转化[14]、脱氢作用[15]、甲醇的合成[16]、CO和烃类化合物的氧化等方面作为催化剂，大大提高了反应速率。Wei等采用热分解法制备了金属铜纳米，并将金属铜纳米作为炔基偶联反应的催化剂，金属铜纳米表现出了良好的催化活性[17]。

3　结　语

随着工业与经济的高速发展，关系到人类可持续发展问的环境问题成为人类社会的重大问题。纳米金属颗粒量子尺寸效应以及高催化性能，使其在催化技术方面的理论研究与应用得到越来越多的关注。由于金属铜的电阻极低，仅高于银，而价格远远低于银，所以纳米铜颗粒具有极好的发展前景。目前，纳米铜颗粒的制备技术日趋完善，但实际应用研究并不成熟。随着纳米技术的全面发展，纳米铜颗粒将逐渐走进人们的生活中。

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Research Progress on Nanocrystalline Copper Powder

LIU Hua-rong

(Sichuan College of Architectural Technology, Sichuan Deyang 618000, China)

Nanocrystalline copper powder exhibits quantum dimension effect, high thermal conductivity, low resistance and excellent catalytic activity, and so on, which makes nanocrystalline copper powder possess important application value in many ways. The method of preparation of nanometer copper particles was introduced, including the mechanical ball grinding method, ion sputtering, electrical explosion method, microemulsion method, liquid phase reduction method and hydrothermal method. The application status and the related mechanism of nanocrystalline copper powder were summarized on electrical, optical, thermal and catalytic. The development prospects of nanocrystalline copper powder in catalysis aspects were also discussed.

nanocrystalline copper powder; preparation; application; catalytic activity

刘花蓉(1985-)，女，硕士，助教，主要从事新型光催化材料的研究。

TB383

A

1001-9677(2016)016-0037-03