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纳米氧化铜的特性、应用及颗粒表征检测浅析
2015年06月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:8508
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一、纳米氧化铜特性简介

 氧化铜粉是一种棕黑色的金属氧化物粉末用途很广。普通氧化铜是一种用途广泛的多功能精细无机材料,主要应用在印染、玻璃、 陶瓷、医药及催化等领域。它可以作为催化剂及催化剂载体以及电极活化材料,还可以作为火箭推进剂,其中作为催化剂的主要成分,氧化铜粉体在氧化、加氢、NOCO、还原及碳氢化合物燃烧等多种催化剂反应中得到广泛应用。纳米氧化铜粉体具有比大尺寸氧化铜粉体更优越的催化活性和选择性以及其他性能。纳米氧化铜的粒径介于1-100nm与普通氧化铜相比,它具有特殊的电学、 光学、催化等性质。纳米氧化铜的电学性质使其对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感,因此采用纳米氧化铜粒子包覆传感器,可以大大提高传感器的响应速度、灵敏度和选择性。纳米氧化铜的光谱性质表现为其红外吸收峰明显宽化,并有明显的蓝移现象。对氧化铜进行纳米化制备,发现粒径较小、分散性较好的纳 米氧化铜对高氯酸铵的催化性能更高。纳米氧化铜已引起人们的广泛关注,并成为用途更为广泛的无机材料之一。


纳米氧化铜存在多种不同形貌的结晶状态,下图是常见的三种纳米氧化铜结晶形态。

 


 

二、纳米氧化铜的应用举例

1作为催化剂和脱硫剂

Cu属于过渡金属,具有不同于其他族金属的特殊电子结构和得失电子性能,可对不同的化学反应表现出良好的催化作用,在催化剂领域应用非常广泛。当CuO粒子的尺度小至纳米级时,由于纳米材料特殊的多表面自由电子、高表面能等特性,从而可表现出比常规尺度CuO更高的催化活性和更为奇特的催化现象。纳米CuO 是一种优异的脱硫产品可在常温下表现出优异的活性,对H2S的脱除精度可以达到0.05 mg·m-3以下。经过优选,纳米CuO3 000 h-1空速下穿透硫容达到25.3%,高于同类型的其他脱硫产品。


2纳米CuO的抗杀菌性能

金属氧化物抗菌过程可以简单描述为在大于禁带宽度能量的光激发下产生的空穴—电子对与环境中O2H2O发生作用产生的活性氧等自由基与细胞中的有机物分子发生化学反应进而分解细胞并达到抗菌的目的[26]。由于CuOp- 型半导体本身存在有空穴( CuO) +,可能与环境发生作用而起到了抗菌或抑菌的作用。研究表明纳米CuO对肺炎、绿脓杆菌等具有良好的抑菌能力。


3纳米CuO在传感器方面的应用

传感器可大致分为物理传感器和化学传感器。物理传感器是以外界的光、声、磁或温度等物理量为对象,把检出的光、温度等物理量变成电信号的装置。化学传感器则是把特定化学物质的种类和浓度变成电信号的装置。主要是利用敏感材料与被测物质中的分子、离子等相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化来设计化学传感器。由于可以将外界信号变成电信号来表示,传感器广泛用于环境监测、医疗诊断、气象等诸多领域。

纳米CuO 所具有的高比表面积、高表面活性、特异物性及极度微小性等优势,使之对外界环境如温度、光和湿气等十分敏感,将其应用于传感器领域可大大提高传感器的响应速度、灵敏度和选择性。


4、对推进剂热分解的催化作用 

    超细纳米级催化剂的应用是调节推进剂燃烧性能的重要途径之一。在国防领域,高氯酸铵(AP)是复合固体推进剂的高能组分,它在AP系推进剂中占有60%~80%的比例,其特性对推进剂的性能起着至关重要的作用。纳米氧化铜在固体推进剂领域,是一种重要的燃速催化剂。用喷雾热解法制备出平均粒径为30~50I吼的针状氧化铜,附着于AP晶体表面而形成复合粒子,从而使AP的热分解温度降低,分解速度加快,分解的总放热量增加。

 

三、纳米氧化铜粉体颗粒的表征方法

纳米粒子的粒度和形状显著影响纳米粉体及其产物的性质和用途,因此,纳米粉体测量技术在纳米粉体技术研究开发中起着重要的作用。目前已经发展了多种粒度的测量方法,这些方法在实践中不断得到改进和完善。常见纳米氧化铜的分析测试与表征见


检测方法

物理及化学特性表征

透射电镜(TEM

粒径的形貌及大小

X射线衍射(XRD

粒子的晶型及晶粒尺寸

扫描电镜(SEM

团聚体形貌及其尺寸

原子发射光谱(AAS

粒子化学成分定性、定量分析

红外光谱(IR

粒子的中间体结构、粒子的结构

X射线荧光(XRFS

粒子化学成分

热重分析(TG

颗粒表面吸附物的脱附与分解反应机理

差热分析(DTA

颗粒的晶型转变温度

EDTA 化学分析

粒子化学成分、CuO含量

 

小结:纳米氧化铜作为一种新型的材料都具有非常广泛的应用,因为制备方法简单,原料易得等因素受到很多人的关注。目前对于纳米氧化铜的生产工业化最需要解决的问题,是粒子团聚问题。因为粒子的粒径影响着材料的性质。团聚现象严重影响纳米粒子的活性。目前解决这一问题的最主要的方法就是添加一些分散剂进行表面处理。粉体工作长期以来一直在寻找各种不同的方法来减小粒子的尺寸,但是想实现超细粉体甚至是纳米粉体的长期稳定存在,消除团聚现象就目前而言还是相当困难,需要我们去不断研究探索。


粉体圈 作者:梧桐)


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