基于离子交换工艺制备纳米氧化亚铜粉体的方法

技术领域：

本发明属于化工以及纳米功能材料领域，具体涉及一种基于离子交换工艺制备氧化亚铜纳米材料的方法。

背景技术：

氧化亚铜是一种P型半导体材料，带隙宽度为2.17ev，在可见光条件下具有较强的光催化性能。主要应用于抗菌、光催化、气体传感、一氧化碳氧化、锂电池阴极材料等诸多领域，具有广阔的应用前景。氧化亚铜常见的制备方法有液相还原法、电化学沉积法、模板法、溶胶凝胶法和溅射法等。这些方法虽然可以制备氧化亚铜纳米材料，但是也一定程度上存在问题，如液相还原法中还原剂生物相容性差、电化学沉积法对电流强度要求高，模板法工艺复杂，溶胶凝胶法制备的粒子易于团聚，溅射法对设备要求高等。

综上，亟待开发一种简便易行的氧化亚铜粉体制备方法。截至目前，尚未有报道关于采用离子交换工艺制备铜基前驱物，然后采用液相还原法制备纳米氧化亚铜的方法。

发明内容：

本发明的目的是提供基于离子交换工艺制备纳米氧化亚铜粉体的方法，这种基于离子交换工艺制备纳米氧化亚铜粉体的方法用于解决现有氧化亚铜制备工艺要求高或制备过程中氧化亚铜粉体易团聚的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于离子交换工艺制备纳米氧化亚铜粉体的方法包括如下步骤：

步骤一：将铜盐溶液与阳离子交换树脂在气动搅拌装置中混合，得到氢氧化铜凝胶，铜盐溶液浓度为0.25-1mol/L，阳离子交换树脂加入量为100-300mL，反应时间为0.5-3h；

步骤二：将步骤一得到的氢氧化铜凝胶转移至反应器并加入葡萄糖，采用氢氧化钠调节体系pH值为10-11，加热一定时间获得砖红色氧化亚铜沉淀，氢氧化铜凝胶的加入量为10-300mL，葡萄糖与氢氧化铜的摩尔比为1:2-1:4，反应温度为70-90℃，反应时间为0.5-2h；

步骤三：将步骤二获得的氧化亚铜沉淀经过过滤、无水乙醇清洗、真空干燥得纳米氧化亚铜粉体，为球状氧化亚铜纳米材料，应用于可见光催化降解亚甲基蓝。

上述方案铜盐为无机铜盐或有机铜盐，无机铜盐为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、醋酸铜中的一种。

上述方案离子交换树脂为201×7型。

上述方案中真空干燥温度为30-50℃，干燥时间为10-24h。

上述方案中气动搅拌装置包括真空泵、缓冲瓶、离子交换柱、敞口容器，离子交换柱固定在敞口容器的正上方，离子交换柱底部的空气管伸入到敞口容器中，离子交换柱顶端通过管线与缓冲瓶连接，缓冲瓶通过侧管与真空泵连接，真空泵抽真空时，空气从空气管进入离子交换柱，带动离子交换柱中的阳离子交换树脂湍动，进行搅拌。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用的离子交换工艺可以采用气动搅拌的方式对生成的氢氧化铜凝胶进行有效分散、利用机械化学作用对铜基前驱物进行有效改性，防止后续制备纳米氧化亚铜过程中的团聚。

（2）本发明获得的氧化亚铜粉体材料是一种具有应用价值的光催化材料，对于水体中的亚甲基蓝具有良好的光催化降解性能，是一种具有潜在应用价值的无机非金属材料。

（3）本发明本发明的制备方法成本低、操作简单、条件温和、流程短、反应温度低、原料来源广。

附图说明：

图1为本发明中气动搅拌装置的示意图。

图2为本发明中纳米氧化亚铜材料的扫描电镜图片；其中，(a)为高倍数，(b)为低倍数。

图3为本发明中纳米氧化亚铜材料的XRD图谱。

图中：1真空泵、2缓冲瓶、3离子交换柱、4烧杯、5铁架台。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明:

实施例1：

取100mL浓度为0.25mol/L的氯化铜溶液在气动搅拌装置中与200mL阳离子交换树脂反应1h，得到氢氧化铜凝胶。将其转移至另外的反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖与铜离子摩尔比按1:2加入，反应温度控制在70℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为10，反应1h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，30℃真空干燥20h，制得纳米氧化亚铜粉体。气动搅拌装置参阅图1，气动搅拌装置包括真空泵1、缓冲瓶2、离子交换柱3、敞口容器，本实施例中敞口容器为烧杯4，离子交换柱3通过铁架台5固定在烧杯4的正上方，离子交换柱3底部的空气管伸入到烧杯4中，离子交换柱3顶端通过管线与缓冲瓶2连接，缓冲瓶2通过侧管与真空泵1连接，真空泵1抽真空时，空气从空气管进入离子交换柱3，带动离子交换柱3中的阳离子交换树脂湍动，进行搅拌，离子交换柱3上部留有足够空间以防止物料进入缓冲瓶2，缓冲瓶2的目的是防止物料进入真空泵1。

实施例2：

取100mL浓度为0.5mol/L的硫酸铜溶液在气动搅拌装置中与200mL阳离子交换树脂反应2h，得到氢氧化铜凝胶。并将其转移至反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖铜离子摩尔比按1:2.5加入，反应温度控制在75℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为11，反应1.5h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，40℃真空干燥15h，制得纳米氧化亚铜粉体。

实施例3：

取200mL浓度为1mol/L的硝酸铜溶液在气动搅拌装置中与300mL阳离子交换树脂反应1.5h，得到氢氧化铜凝胶。并将其转移至反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖铜离子摩尔比按1:3加入，反应温度控制在80℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为10，反应2h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，50℃真空干燥15h，制得纳米氧化亚铜粉体。

实施例4：

取200mL浓度为0.5mol/L的醋酸铜溶液在气动搅拌装置中与400mL阳离子交换树脂反应3h，得到氢氧化铜凝胶。并将其转移至反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖铜离子摩尔比按1:4加入，反应温度控制在85℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为11，反应2h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，50℃真空干燥15h，制得纳米氧化亚铜粉体。

实施例5：

取100mL浓度为1mol/L的氯化铜溶液在气动搅拌装置中与300mL阳离子交换树脂反应2h，得到氢氧化铜凝胶。并将其转移至反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖铜离子摩尔比按1:3.5加入，反应温度控制在90℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为10，反应1h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，50℃真空干燥10h，制得纳米氧化亚铜粉体。

实施例6：

取200mL浓度为0.75mol/L的硝酸铜溶液在气动搅拌装置中与300mL阳离子交换树脂反应1.5h，得到氢氧化铜凝胶。并将其转移至反应器中，加入葡萄糖，葡萄糖铜离子摩尔比按1:2加入，反应温度控制在75℃，采用氢氧化钠调节体系的pH为11，反应1h，将得到的氧化亚铜沉淀抽滤，用无水乙醇清洗三次，40℃真空干燥15h，制得纳米氧化亚铜粉体。

本发明以各种有机和无机铜盐为前驱物，采用离子交换树脂与铜盐在气动搅拌装置中反应，生成氢氧化铜凝胶，气动搅拌对氢氧化铜凝胶有一定的改性作用，从而减少后续制备氧化亚铜粉体过程中的团聚现象。该方法具有工艺简单、产物粒度可调控，成本低等诸多优点，在未来可应用于工业生产。