各向异性铜功能材料的制备与催化性质研究

金属纳米材料由于其不同于宏观材料的特殊性质，已经在多个领域呈现出极其重要的应用价值。其中铜在金属纳米材料中由于其低廉的价格和良好的性质引起研究人员的关注，并广泛应用于催化、光生扶打和电子学等方向。铜纳米材料的尺寸和形貌影响着自身的物理化学性质，但由于金属铜自身的不稳定性难以获得形貌良好的铜纳米晶体。通过研究设计新的合成方法，探索调控稳定的铜纳米晶体新形貌，依然是铜纳米材料领域研究的重点。
　　本论文中，以纳米铜晶体为主要研究对象，运用不同的铜盐和表面活性剂，制备出形貌良好可控的铜纳米材料，结合表征和理论计算模拟的结果对机理和内在规律进行研究与总结，其次对所制备的金属纳米材料的催化性质进行了具体研究与分析。论文的主要内容总结如下:
　　1.调控制备稳定的六边形、三角形铜纳米片，并对其催化性质进行研究。
　　在水热条件下以氯化铜为原料，在一定温度下，与酒石酸钾钠配位络合，并依靠表面活性剂PVP的协助，调节溶液的酸碱度，合成制备出形貌良好的铜纳米片。当溶液的pH=4.5时所提供的酸性环境促使还原剂次亚磷酸钠由稳定态过渡到非稳定态，有利于还原反应进行。其次通过调节酒石酸钾钠的用量可以调节溶液中自由Cu2+的含量，从而达到调节成核速率，控制纳米片尺寸的目的。最后运用MD模拟计算和对比试验的方法证明PVP在反应过程中选择性吸附到Cu的(111)晶面，利于片状结构的生成。在催化还原对硝基苯酚的实验中，铜纳米片与形貌不佳的纳米铜颗粒和商业铜粉相比有着更好的催化性质。除此之外六边形和三角形纳米片的催化效果要好于圆形片，这归因于六边片、三角片拥有更多界限分明的棱角，使得催化活性区域增多，充分说明形貌对于催化性质有着重要的影响。另一方面，该实验所制备的铜纳米片在再循环性测试中展现出良好的可循环性和形貌的稳定性。
　　2.合成表面粗糙度可控的铜纳米线与铜银复合纳米线，并进行性质测试。
　　创新性的将氯化亚铜、氯化铜以一定比例混合，以此为原料，抗环血酸（L-AA）为还原剂，CTAC为表面活性剂，通过水热法成功制备出表面粗糙的铜纳米线。继续调节氯化亚铜、氯化铜的比例，得到了表面粗糙程度不同的纳米线;当只使用氯化亚铜作为原料，得到了表面光滑的铜纳米线。通过对不同反应阶段的产物进行表征，发现光滑纳米线首先在反应前期出现，随着时间推移逐渐转化为表面粗糙的纳米线。调节CTAC的用量，发现CTAC作为表面活性剂有促进线性结构生成的作用，并采用MD模拟计算进行验证分析。基于上述结果，我们认为由于Cu+还原电位要高于Cu2+，反应中Cu+率先被还原，并在CTAC作用下形成光滑的铜纳米线。随后Cu2+开始被还原成铜纳米颗粒，并逐步包裹光滑纳米线，最终得到粗糙铜纳米线。在与AgNO3的液相反应中，粗糙的铜纳米线由于自身的凸起与棱角利于置换反应的进行。在对4-NP还原催化的反应中，粗糙铜纳米线催化能力优于光滑铜纳米线基于其较大的比表面积和粗糙的表面纳米结构，铜银纳米线相比于单纯的铜纳米线催化能力更好，归因于持续快速的电子传输转移能力。