分享一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法

本站介绍的分享一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,小编为您解密 一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法[0001] 本发明设及一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,属无机功能材料制备及应用 的技术领域。[0002] 氧化亚铜

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一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法

[0001] 本发明设及一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,属无机功能材料制备及应用 的技术领域。

[0002] 氧化亚铜是P型半导体材料,其禁带宽度介于2-2.2eV,由于其高的光吸收系数,资 源丰富和无毒性,被广泛用于太阳能转换、微电子、催化等领域;特别是氧化亚铜薄膜已广 泛用于湿气传感器、电致变色装置和光伏器件中;氧化亚铜薄膜通常采用磁控瓣射、脉冲激 光束沉积、化学气相沉积、热氧化和水热合成方法制备;但是磁控瓣射、脉冲激光束沉积、化 学气相沉积、热氧化需要昂贵的设备,并且耗能大;而利用水热合成法制备的氧化亚铜薄膜 质量差,而且制备周期长。
[0003] 电沉积技术是一种简单快速、耗能低、不污染环境,通过改变电沉积参数可W实现 对氧化亚铜薄膜形貌的控制;在W前的研究中,通过改变电沉积过程中的电流和电压制备 不同形貌的氧化亚铜薄膜,但是运些薄膜的氧化亚铜粒径均在微米和亚微米级,材料粒径 尺寸达到纳米级时,材料将表现出不同于体材料的物理化学性能,采用电沉积技术制备氧 化亚铜纳米薄膜是一个科学难题。



[0004] 发明目的
[0005] 本发明的目的是针对的状况,采用醋酸铜、乳酸、氨氧化钢、十二烷基硫 酸钢做原料,在加热状态下快速制成氧化亚铜纳米薄膜,W使制备氧化亚铜纳米薄膜成为 可能,并能进行快速规模化生产。
[0006] 技术方案
[0007] 本发明使用的化学物质材料为:醋酸铜、乳酸、氨氧化钢、十二烷基硫酸钢、丙酬、 无水乙醇、去离子水、导电玻璃、销片、氯化银片,其组合准备用量如下:W克、毫升、毫米为 计量单位
[000引
[0009] 制备方法如下:
[0010] (1)配制醋酸铜水溶液
[00川称取醋酸铜1.997g ± 0.001 g,量取去离子水SOmL ± 0.00 ImL,加入烧杯中;
[0012]然后将烧杯置于超声波分散器内,进行超声分散,超声波频率60KHZ,超声分散时 间15min,使其充分溶解,成0.1mol/L的醋酸铜水溶液;
[001引(2)配制氨氧化钢水溶液
[0014] 称取氨氧化钢10g±0.OOlg,量取去离子水50mL±0.OOlmL,加入另一烧杯中;
[0015] 然后将烧杯置于超声波分散器内,进行超声分散,超声波频率60KHZ,超声分散时 间15min,使其充分溶解,成5mol/L的氨氧化钢水溶液;
[0016] (3)配制电解液
[0017] 电解液的配置是在烧杯中进行的;
[001引将配置的醋酸铜水溶液80mL±0.0 OlmL加入烧杯内;
[0019] 将配置的氨氧化钢水溶液43.4mL±0.OOlmL加入烧杯内;
[0020] 将乳酸20mL±0.OOlmL加入烧杯内;
[0021 ]将十二烷基硫酸钢0.002g ± 0.0 OOlg加入烧杯中;
[0022] 在配置过程中进行揽拌,成蓝色悬浊液,蓝色悬浊液抑=9,呈碱性,成碱性乙酸铜 电解液;
[0023] (4)预处理导电玻璃、销片、氯化银片
[0024] ①清洗导电玻璃
[0025] 将导电玻璃置于烧杯中,加入丙酬IOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干;
[00%] 将惊干的的导电玻璃置于另一烧杯中,加入无水乙醇1 OOmL,浸泡清洗15min,清洗 后惊干;
[0027]将惊干的的导电玻璃置于另一烧杯中,加入去离子水lOOmL,浸泡清洗15min,清洗 后惊干;
[002引②清洗销片
[0029] 将销片置于烧杯中,加入丙酬IOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干;
[0030] 将惊干的销片置于另一烧杯中,加入无水乙醇IOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干;
[0031] 将惊干的销片置于另一烧杯中,加入去离子水IOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干;
[0032] ③清洗氯化银片
[0033] 将氯化银片置于烧杯中,加入丙酬IOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干;
[0034] 将惊干后的氯化银片置于另一烧杯中,加入无水乙醇IOOmL,浸泡清洗15min,清洗 后惊干;
[0035] 将惊干后的氯化银片置于另一烧杯中,加入去离子水IOOmL,浸泡清洗15min,清洗 后惊干;
[0036] (5)电沉积氧化亚铜纳米薄膜
[0037] 电沉积氧化亚铜纳米薄膜是在玻璃电解槽内进行的,是在碱性乙酸铜电解液内, W导电玻璃为工作电极、销片为对电极、氯化银片为参比电极,在50°C下,在磁子揽拌过程 中,在直流脉冲电流下,在导电玻璃上沉积生成氧化亚铜纳米薄膜;
[0038] ①安装电极
[0039] 在玻璃电解槽内,在中间位置安装氯化银片参比电极,并由吊丝吊装;
[0040] 在玻璃电解槽内,在左部位置安装导电玻璃工作电极,并由吊丝吊装;
[0041] 在玻璃电解槽内,在右部位置安装销片对电极,并由吊丝吊装;
[0042] ②将配置的碱性乙酸铜电解液加入玻璃电解槽内,碱性乙酸铜电解液要淹没氯化 银参比电极、导电玻璃工作电极、销片对电极;
[0043] ③将磁子揽拌器置于玻璃电解槽内底部;
[0044] ④开启电控箱加热溫度控制器,加热碱性乙酸铜电解液,加热溫度5〇°c ± rc;
[0045] ⑤开启电控箱及直流脉冲电源,直流脉冲电源电压0.2V,功率0.2W,脉冲电流值 0.3-0.8mA/cm2,氧化亚铜纳米薄膜沉积时间300s,磁子揽拌器进行揽拌;
[0046] 在电沉积过程中,在导电玻璃上生成氧化亚铜纳米薄膜,并发生化学反应,反应式 如下:
[00471
[004引式中:C出CO矿:醋酸根离子 [0049] H+:氨离子 [00加]CH3CH(0H)C00-:乳酸根离子 [0化1] Na+:钢离子
[0化2] 化2〇:氧化亚铜纳米薄膜 [0化3] e-:电子电荷
[0054] 电沉积后关闭直流脉冲电源,停止加热;
[0055] 导电玻璃及其上的氧化亚铜纳米薄膜在玻璃电解槽内静置IOmin;
[0056] 然后拱出,在洁净环境惊干;
[0057] (6)真空干燥
[0058] 将导电玻璃及其上的氧化亚铜纳米薄膜置于石英容器中,然后置于真空干燥箱中 干燥,干燥溫度50°C,真空度3Pa,干燥时间30min;
[0059] 干燥后成终产物:氧化亚铜纳米薄膜;
[0060] (7)检测、分析、表征
[0061] 对制备的氧化亚铜纳米薄膜的色泽、形貌、成分、化学物理性能进行检测、分析、表 征;
[0062] 用扫描电子显微镜对氧化亚铜纳米薄膜进行形貌分析;
[0063] 用原子力显微镜对氧化亚铜纳米薄膜进行表面粗糖度分析;
[0064] 用X射线衍射仪对氧化亚铜纳米薄膜进行衍射强度分析;
[0065] 用X射线光电子能谱仪对氧化亚铜纳米薄膜进行光电子能谱分析;
[0066] 用紫外-可见分光光度计对氧化亚铜纳米薄膜进行紫外可见光吸收分析;
[0067] 用电化学工作站对氧化亚铜纳米薄膜进行瞬时光响应分析;
[0068] 结论:氧化亚铜纳米薄膜呈黄色膜状,膜层厚度^ 30皿,薄膜由颗粒组成,颗粒直 径< 30nm,氧化亚铜纳米薄膜对可见光在400-600nm波长有明显的吸收,在IOOW氣灯的照射 下产生240iiA/cm 2电流,产物纯度达99.6% ;
[0069] (8)产物储存
[0070] 对制备的氧化亚铜纳米薄膜储存于栋色透明的玻璃容器中,密闭避光储存,要防 晒、防潮、防酸碱盐侵蚀,储存溫度20°C,相对湿度^ 10%。
[0071] 有益效果
[0072] 本发明与相比具有明显的先进性,是根据氧化亚铜的结构特征,采用醋 酸铜和乳酸做原料,十二烷基硫酸钢做表面修饰剂,去离子水做溶剂,氨氧化钢做pH调节 剂,采用电化学脉冲直流电解法制备氧化亚铜纳米薄膜,此制备方法工艺先进,数据精确翔 实,产物为黄色膜状,膜层厚度< 30加1,薄膜由颗粒组成,颗粒直径< 30加1,产物纯度达 99.6%,薄膜截面呈长方形,氧化亚铜颗粒呈纳米球状,与导电玻璃之间结合牢固,对紫外 光和可见光有明显的吸收,在IOOW氣灯照射下产生240iiA/cm吨流,可在太阳能发电、光伏 产品中使用,是先进的氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法。

[0073] 图1、制备氧化亚铜纳米薄膜状态图
[0074] 图2、导电玻璃及氧化亚铜纳米薄膜形貌图
[0075] 图3、氧化亚铜纳米薄膜形貌图
[0076] 图4、氧化亚铜纳米薄膜表面粗糖度图
[0077] 图5、氧化亚铜纳米薄膜X射线衍射图谱
[0078] 图6、氧化亚铜纳米薄膜X射线光电子能谱图
[0079] 图7、氧化亚铜纳米薄膜紫外可见光吸收图谱
[0080] 图8、氧化亚铜纳米薄膜瞬时光响应图谱 [0081 ]图中所示、附图标记清单如下:
[0082] 1.玻璃电解槽,2.直流脉冲电源,3.电控箱,4.磁子揽拌器,5.第一吊丝,6.第二吊 丝,7.第=吊丝,8.导电玻璃工作电极,9.氯化银片参比电极,10.销片对电极,11.碱性乙酸 铜电解液,12.显示屏,13.指示灯,14.电源开关,15.磁子揽拌控制器,16.销片对电极控制 器,17.氯化银片参比电极控制器,18.导电玻璃工作电极控制器,19.加热溫度控制器。

[0083] W下结合附图对本发明做进一步说明:
[0084] 图1所示,为制备氧化亚铜纳米薄膜状态图,各部位置、连接关系要正确,按量配 比,按序操作。
[0085] 制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的,W克、毫升、毫米为计量 单位。
[0086] 氧化亚铜纳米薄膜的制备是在玻璃电解槽内进行的,是在碱性乙酸铜电解液内, W导电玻璃为工作电极,销片为对电极,氯化银片为参比电极,在50°C下,在磁子揽拌过程 中,在直流脉冲电流下,在导电玻璃上沉积生成氧化亚铜纳米薄膜;
[0087] 玻璃电解槽为立式矩形,玻璃电解槽1下部为电控箱3、上部为直流脉冲电源2,在 玻璃电解槽1内底部为磁子揽拌器4,玻璃电解槽1内盛放碱性乙酸铜电解液11,玻璃电解槽 1内左部由第一吊丝5吊装导电玻璃工作电极8、中部为第二吊丝6吊装氯化银片参比电极9、 右部为第=吊丝7吊装销片对电极10,第一吊丝5、第二吊丝6、第=吊丝7上部与直流脉冲电 源2连接,导电玻璃工作电极8、氯化银片参比电极9、销片对电极10均浸没在碱性乙酸铜电 解液11中;在电控箱3上设有显示屏12、指示灯13、电源开关14、磁子揽拌控制器15、销片对 电极控制器16、氯化银片参比电极控制器17、导电玻璃工作电极控制器18、加热溫度控制器 19。
[0088] 图2所示,为导电玻璃及氧化亚铜纳米薄膜形貌图,图中可见,氧化亚铜纳米薄膜 整体光滑平整。
[0089] 图3所示,为氧化亚铜纳米薄膜形貌图,图中可见,氧化亚铜呈纳米颗粒状,氧化亚 铜纳米颗粒均匀,颗粒直径< 30nm。
[0090] 图4所示,为氧化亚铜纳米薄膜表面粗糖度图,图中可见,制备的氧化亚铜薄膜表 面光滑平整,颗粒尺寸大小均匀,呈不规则堆积;且氧化亚铜纳米薄膜厚度^ 30nm。
[0091 ]图5所示,为氧化亚铜纳米薄膜的X射线衍射图谱,图中所示,纵坐标为衍射强度, 横坐标为衍射角,图中可见,制备的薄膜为单一的氧化亚铜相。
[0092] 图6所示,为氧化亚铜纳米薄膜X射线光电子能谱图,图中可见,Cu2p的XPS特征峰 在932.3eV化化3/2和952.2eV化化1/2,铜离子W化+形式存在,物相为氧化亚铜。
[0093] 图7所示,为氧化亚铜纳米薄膜紫外可见光吸收图谱,图中可见,制备的氧化亚铜 纳米薄膜对400-600nm的可见光有明显的吸收。
[0094] 图8所示,为氧化亚铜纳米薄膜瞬时光响应图谱,图中可见,制备的氧化亚铜纳米

1. 一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,其特征在于: 使用的化学物质材料为:醋酸铜、乳酸、氨氧化钢、十二烷基硫酸钢、丙酬、无水乙醇、去 离子水、导电玻璃、销片、氯化银片,其组合准备用量如下:W克、毫升、毫米为计量单位 醋酸铜:Cu(CH3COO)2'H2〇 1.997g±0.001g 乳酸;€而(,0、 20mL±〇.〇〇lmL 氨氧化销;NaOH IQg + O.OOlg 十二烷基硫酸钢:Ci2H25S〇4Na 0.002g + 化0001 g 丙綱;:G巧6.0 400mL±lmL 心水Δ醇:C2H5OH 400mL±lmL 么离-广水:扎Ο lOOOinL+lOmL 导电玻璃:ΙΤΟ 10mm X 30mm X 2mm 错片:Pt 10mm X 30mm X 2mm M 化银片:AgCl 1 Om m X 3 Om m X 2 m m 制备方法如下: (1) 配制醋酸铜水溶液 称取醋酸铜1.997g ± 0.001 g,量取去离子水80血± 0.001血,加入烧杯中; 然后将烧杯置于超声波分散器内,进行超声分散,超声波频率60KHZ,超声分散时间 15min,使其充分溶解,成0.1mol/L的醋酸铜水溶液; (2) 配制氨氧化钢水溶液 称取氨氧化钢lOg ± 0.001 g,量取去离子水50mL ± 0.00 ImL,加入另一烧杯中; 然后将烧杯置于超声波分散器内,进行超声分散,超声波频率60KHZ,超声分散时间 15min,使其充分溶解,成5mol/L的氨氧化钢水溶液; (3) 配制电解液 电解液的配置是在烧杯中进行的; 将配置的醋酸铜水溶液80mL±0 .OOlmL加入烧内; 将配置的氨氧化钢水溶液43.4mL ± 0.00 ImL加入烧杯内; 将乳酸20血± 0.001血加入烧杯内; 将十二烷基硫酸钢0.002g ± 0.000 Ig加入烧杯内; 在配置过程中进行揽拌,成蓝色悬浊液,蓝色悬浊液抑=9,呈碱性,成碱性乙酸铜电解 液; (4) 预处理导电玻璃、销片、氯化银片 ①清洗导电玻璃 将导电玻璃置于烧杯中,加入丙酬lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干; 将惊干的的导电玻璃置于另一烧杯中,加入无水乙醇1 OOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干; 将惊干的的导电玻璃置于另一烧杯中,加入去离子水lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干; ② 清洗销片 将销片置于烧杯中,加入丙酬100血,浸泡清洗15min,清洗后惊干; 将惊干的销片置于另一烧杯中,加入无水乙醇lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干; 将惊干的销片置于另一烧杯中,加入去离子水lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干; ③ 清洗氯化银片 将氯化银片置于烧杯中,加入丙酬lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊干; 将惊干后的氯化银片置于另一烧杯中,加入无水乙醇1 OOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干; 将惊干后的氯化银片置于另一烧杯中,加入去离子水lOOmL,浸泡清洗15min,清洗后惊 干; (5)电沉积氧化亚铜纳米薄膜 电沉积氧化亚铜纳米薄膜是在玻璃电解槽内进行的,是在碱性乙酸铜电解液内,W导 电玻璃为工作电极、销片为对电极、氯化银片为参比电极,在50°C下,在磁子揽拌过程中,在 直流脉冲电流下,在导电玻璃上沉积生成氧化亚铜纳米薄膜; ① 安装电极 在玻璃电解槽内,在中间位置安装氯化银片参比电极,并由吊丝吊装;在玻璃电解槽 内,在左部位置安装导电玻璃工作电极,并由吊丝吊装;在玻璃电解槽内,在右部位置安装 销片对电极,并由吊丝吊装; ② 将配置的碱性乙酸铜电解液加入玻璃电解槽内,碱性乙酸铜电解液要淹没氯化银参 比电极、导电玻璃工作电极、销片对电极; ③ 将磁子揽拌器置于玻璃电解槽内底部; ④ 开启电控箱加热溫度控制器,加热碱性乙酸铜电解液,加热溫度50°C ± rC ; ⑤ 开启电控箱及直流脉冲电源,直流脉冲电源电压0.2V,功率0.2W,脉冲电流值0.3- 0.8mA/cm2,氧化亚铜纳米薄膜沉积时间300s,磁子揽拌器进行揽拌; 在电沉积过程中,在导电玻璃上生成氧化亚铜纳米薄膜,并发生化学反应,反应式如 下:式中:CH3C00-:醋酸根离子 H+:氨离子 C出CH(OH)CO〇-:乳酸根离子 化+:钢离子 化2〇:氧化亚铜纳米薄膜 电子电荷 电沉积后关闭直流脉冲电源,停止加热; 导电玻璃及其上的氧化亚铜纳米薄膜在玻璃电解槽内静置lOmin; 然后拱出,在洁净环境惊干; (6) 真空干燥 将导电玻璃及其上的氧化亚铜纳米薄膜置于石英容器中,然后置于真空干燥箱中干 燥,干燥溫度50°C,真空度3Pa,干燥时间30min; 干燥后成终产物:氧化亚铜纳米薄膜; (7) 检测、分析、表征 对制备的氧化亚铜纳米薄膜的色泽、形貌、成分、化学物理性能进行检测、分析、表征; 用扫描电子显微镜对氧化亚铜纳米薄膜进行形貌分析; 用原子力显微镜对氧化亚铜纳米薄膜进行表面粗糖度分析; 用X射线衍射仪对氧化亚铜纳米薄膜进行衍射强度分析; 用X射线光电子能谱仪对氧化亚铜纳米薄膜进行光电子能谱分析; 用紫外-可见分光光度计对氧化亚铜纳米薄膜进行紫外可见光吸收分析; 用电化学工作站对氧化亚铜纳米薄膜进行瞬时光响应分析; 结论:氧化亚铜纳米薄膜呈黄色膜状,膜层厚度含30nm,薄膜由颗粒组成,颗粒直径< 30nm,氧化亚铜纳米薄膜对可见光在400-600nm波长有明显的吸收,在100W氣灯的照射下产 生240yA/cm2电流,产物纯度达99.6% ; (8) 产物储存 对制备的氧化亚铜纳米薄膜储存于栋色透明的玻璃容器中,密闭避光储存,要防晒、防 潮、防酸碱盐侵蚀,储存溫度20°C,相对湿度^ 10%。2.根据权利要求1所述的一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,其特征在于: 氧化亚铜纳米薄膜的制备是在玻璃电解槽内进行的,是在碱性乙酸铜电解液内,W导 电玻璃为工作电极,销片为对电极,氯化银片为参比电极,在50°C下,在磁子揽拌过程中,在 直流脉冲电流作用下,在导电玻璃上沉积生成氧化亚铜纳米薄膜; 玻璃电解槽为立式矩形,玻璃电解槽(1)下部为电控箱(3)、上部为直流脉冲电源(2), 在玻璃电解槽(1)内底部为磁子揽拌器(4 ),玻璃电解槽(1)内盛放碱性乙酸铜电解液(11), 玻璃电解槽(1)内左部由第一吊丝巧)吊装导电玻璃工作电极(8)、中部为第二吊丝(6)吊装 氯化银片参比电极(9)、右部为第Ξ吊丝(7)吊装销片对电极(10),第一吊丝(5)、第二吊丝 (6)、第Ξ吊丝(7)上部与直流脉冲电源(2)连接,导电玻璃工作电极(8)、氯化银片参比电极 (9)、销片对电极(10)均浸没在碱性乙酸铜电解液(11)中;在电控箱(3)上设有显示屏(12)、 指示灯(13)、电源开关(14)、磁子揽拌控制器(15)、销片对电极控制器(16)、氯化银参比电 极控制器(17)、导电玻璃工作电极控制器(18)、加热溫度控制器(19)。
本发明涉及一种氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法,是根据氧化亚铜的结构特征,采用醋酸铜和乳酸做原料,十二烷基硫酸钠做表面修饰剂,去离子水做溶剂,氢氧化钠做pH碱性调节剂,采用电化学脉冲直流电解法制备氧化亚铜纳米薄膜,此制备方法工艺先进,数据精确翔实,产物为黄色膜状,薄膜截面呈长方形,膜层厚度≤30nm,氧化亚铜纳米薄膜由颗粒组成,颗粒呈纳米球状,颗粒直径≤30nm,产物纯度达99.6%,与导电玻璃之间结合牢固,对紫外光和可见光有明显的吸收,在100W氙灯照射下产生240μA/cm2电流,可在太阳能发电,光伏产品中使用,是先进的氧化亚铜纳米薄膜的快速制备方法。
B82Y40/00, C25D9/04
CN105696047
CN201610051812
薛晋波, 申倩倩, 杨慧娟, 邵铭哲, 胡文岳, 贾虎生, 许并社
太原理工大学
2016年6月22日
2016年1月26日

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