面向能源和环境的铜基纳米材料的合成及应用
2021-01-07董瑞华刘康丽王建红李庆龄
董瑞华,刘康丽,王建红,李庆龄
(甘肃能源化工职业学院,甘肃兰州 730207)
化石燃料虽为我国社会发展提供了便捷性,但同时也引发了全球范围内的资源短缺以及环境问题。降低化石燃料的使用且提高利用率,是现阶段我国学者探究过程中面临的主要问题。考虑到了氢具有低成本、污染少的应用可行性,我国学者围绕氢展开了一系列的研究,在研究过程中得出,纳米材料表现出优异的催化性能,为我国提供了巨大的经济效益。
1 基于能源和环境视域下对铜基纳米材料合成及应用研究的重要性
催化领域中金属材料具有特殊性能被社会广泛关注,且金属纳米材料量子尺寸效应与表面效应的存在,较金属材料在光、电、磁以及催化等方面的物理、化学性能更好。我国学者针对金属纳米材料进行了不同程度的探究,如纳米线、核壳结构以及链珠结构。金属纳米材料的形成从单一化金属转化为复合金属,其中,复合金属纳米材料不同金属之间的作用具有协同性,使得材料呈现出了优于单一金属纳米材料的物理性能以及化学性能。此外,贵金属纳米材料在催化领域中具有较高的催化活性、化学稳定性以及可行性,但实际过程中,金属材料生产成本较高,在许多反应中没有得到广泛的应用。而铜作为非贵金属的代表性之一,价格低廉的同时,具有良好的导电性,在甲醇合成中以及传感器等方面具有广泛的应用。因此,基于能源与环境视域下,针对铜基纳米材料合成及应用研究具有现实意义和价值,为我国能源节约以及可持续发展奠定良好的基础。
人类在几百前年就已经开始使用纳米材料了,通常表现在对光学性质的利用,且早在20世纪,科学家就提出了纳米材料这一观念,并对纳米材料进行了长达20a左右的深度研究。严格意义上来讲,纳米材料是因为其自身良好的物理性质以及化学性质才被广大学者进行研究。由于纳米材料具有较小的尺寸特征,因此在催化领域以及电子领域具有广泛的应用前景。且现代化、环保化以及全球化的背景发展态势下,纳米材料形貌与应用迎来了更好的前景。如在我国环保能源的宏观战略下,我国诸多企业、单位就纳米科技以及纳米材料进行了研究与投资,因此,纳米材料具备可发展性。
2 铜基纳米材料的合成
鉴于铜基纳米材料的化学性质存在一定差异化,因此在制备不同形貌的铜基纳米材料中所采用的方式也不同。通过不同的制备方式得到不同形貌的铜基纳米材料。
2.1 水热溶剂热法
水热溶剂热法通常是在一定外界反应条件加持下,将反应前躯体加入溶剂中进行反应的一种方法。水热溶剂热法具有一次性的特点,且在反应过程中,整个反应是一次性完成的,对于铜基纳米材料的合成形貌以及聚焦度均一的纳米粒子有着较为关键的促进作用,同时也是现阶段铜基纳米材料制备较为常见且高效的一种制备方法。在制备的过程中,可依托对反应条件的控制实现对纳米颗粒形貌的控制。
2.2 晶种法
晶种法通常基于异相成核,纳米晶的成核与生长得到了很好的分离效果。晶种法在一定程度上对纳米晶的生长起到了导向作用,进而最终决定铜基纳米材料的基本尺寸以及形貌。鉴于晶种的存在导致了金属离子很容易被还原成金属单质,且新生成的物种在事先既定的晶种上沉淀、生长,因此晶种法通常也被称为外延生长法,这一方法通常在液相体系中应用。若晶种与外延生产的金属存在不相同的情况下就会产出核壳结构,通过分析可以发现,具有特定形状的晶种暴露的晶面对外延生长的金属起到了很好的导向功能,实现了晶面取向生长。
2.3 消解-熟化法
在最初制备单分散纳米颗粒的过程中,人们最常用到的制备方法即消解-熟化法,鉴于消解-熟化法较为新颖,且存在独特性、实用性以及可行性因素,因此被广泛应用,在通过不断改进以及优化发展下,现阶段,消解-熟化法可用于金属纳米粒子的合成过程中,并具备了良好的制备效果。消解-熟化法是将尺寸分布较宽的金属纳米粒子通过消解-熟化的过程,转化为均一尺寸的纳米颗粒,这一方法可以有效地将尺寸、形状存在差异化的纳米晶转化为尺寸以及形貌具有统一性、固定性以及一致性的纳米颗粒。具体操作方法如下:首先,将HAuCl4中的 Au在硫醇保护的环境下还原,然后对Au颗粒进行分析,并在含有硫醇的高沸点溶剂中回流一定时间,进而铜基纳米金颗粒得到的尺寸以及形貌就会统一且稳定。同时在消解-熟化法中,依托硫醇烷基链的长度可对铜基纳米颗粒的尺寸进行动态化调控,如硫醇烷基链的长度越长,则纳米颗粒的尺寸就越大[4]。这也是使用硫醇的核心关键所在,它可以有效地对金属颗粒的尺寸进行动态化调整,进而熟化得到均一尺寸的金属颗粒。在我国社会高速发展的变革下,我国学者针消解-熟化法进行了深度分析,对其应用进行了全面的创新,得出胺、硅烷以及膦都可被应用于此方法中,且消解-熟化法可以制备合金纳米颗粒,如CuAg 合金、CuAu 合金等。
2.4 微乳液法
微乳液法通常是指依托水、油、表面活性剂以及助表面活性剂根据一定比例混合后,自发形成的热力学稳定且各自同性的分散体系。表面活性剂在一定程度上对溶液的表面张力起到了很好的降低效果,以提高其可溶性;助表面活性剂对表面活性剂的表面活性以及亲水平衡性、亲油平衡性起到了改变作用,是影响体系的相态以及相性质的微乳成分,是短链醇、酚以及其他较弱的两性化合物。表面活性剂以及助表面活性剂在相互作用的影响下,起到了协同作用。微乳液法可分为两种类型,油分散在水中可称为水包型微乳液滴,水分散在油中可称为油包水型微乳液滴。液滴具有良好的软模板功能,引导了纳米晶的生长过程。此外,纳米晶的尺寸以及形状的控制,都是通过对液滴的形状以及大小进行调控,从而对纳米晶大小以及形状控制。依托微乳液法对Cu纳米晶进行制备的过程中,表面活性剂常见的有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)等[5]。通过研究可以发现,在TX-100、己醇、环己烷和水组成的微乳液中还原制备了粒径在 5~15nm 的 Cu 纳米颗粒,说明纳米晶尺寸可通过水油比实现动态化调控。
2.5 多元醇还原法
针对形状具有特殊性、特定性的金属纳米晶体结构进行控制的过程中,多元醇还原法是较为有效且可观的一种制备方式。多元醇还原法的发展史从二十世纪末期逐渐发展壮大,在贵金属纳米晶体控制合成起到了关键性的作用。依托多元醇将具有金属离子的前驱体进行完全溶解,进而在与多元醇沸点相同的温度下进行回流,实现了将金属离子还原为零价即多元醇还原法。稳定剂通常为聚乙烯基吡咯烷酮,具有形状调整的价值作用,且多元醇所含有的乙二醇、1,2-丙二醇以及 1,5-戊二醇等[6-8],在还原剂中的还原性相对较弱,因此在还原金属离子的速度上较为适中,可对纳米晶的成核、生长进行有效控制。通过不断实验表明,PVP可以有选择性地吸附在特定晶面上减低其表面能,以实现晶面生长速度的减缓,进而对纳米晶形状进行控制。
3 铜基纳米材料的应用
依托多元醇将金属离子的前躯体进行完全溶解,进而在与多元醇沸点相同的温度下进行回流,实现了将金属离子还原为零价的一种方法即多元醇还原法。且为了对具有特殊形状金属纳米晶体进行控制,多元醇还原法是较为有效且直接的一种方法。多元醇还原法的发展是从二十世纪末期逐渐发展并应用,在贵金属纳米晶体控制合成的过程中起到了关键性的作用,因此被广大学者熟悉。稳定剂中一般为聚乙烯基吡咯烷酮,具有性状调控的作用,多元醇内含有乙二醇、1,2-丙二醇以及 1,5-戊二醇等,在还原剂中,多元醇还原性较其他还原剂弱,因而还原金属离子的速度较为适中,可对纳米晶的成核与生长起到良好得控制效果。
4 结束语
综上所述,对面向能源和环境的铜基纳米材料合成及其应用进行了分析,通过分析可以得出,现代化、全球化社会发展态势下,人们对于铜基纳米材料的形貌及其性能的研究日臻完善,但对其亲水体系中尺寸以及性能的有关性研究较少,亲水体系中对Cu2O晶体的尺寸以及尺寸分布是一项难题,更小的尺寸意味着更大的比表面积,以保障催化活性的提升,因此,如何负载更小且均匀性更好的纳米粒子对负荷材料性能至关重要,因此,积极探索全新合成方法仍是纳米材料发展的重要课题。