一种核壳异质结构纳米纤维及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开的是一种核壳异质结构纳米纤维及其制备和应用。该核壳异质结构纳米纤维的组成为C与Cu，C与Cu原子比为0.33～1.91；其结构为Cu核与C壳组成的Cu/C核壳结构纳米纤维，为豆荚状纳米纤维，直径40～240nm，长度可达50微米。该核壳异质结构纳米纤维采用前驱物原位碳热还原法制成，即：将有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纳米纤维的前驱物和有机碳源分别用陶瓷方舟装载放入管式炉中，在惰性气体保护下焙烧即可。该纤维具有优异的微波吸收特性：小于等于–10dB反射率的有效带宽为0.40～3.20GHz，最大吸收–39.10～–44.94dB。本发明专利技术具有设备简单、周期短、重复性好、可规模化生产等优点，在电催化、微波吸收、锂离子电池、表面增强拉曼光谱等领域将具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种核壳异质结构纳米纤维及其制备和应用
本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种制备豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维的简易方法与应用。
技术介绍
铜纳米材料由于其高的比表面积、良好的导电性能、高的催化活性被应用到玻璃、陶瓷着色剂、油漆防皱、汽车尾气净化、超大规模集成电路、电催化、锂离子电池、表面增强拉曼光谱、微波吸收与屏蔽等领域中。相比于贵金属纳米粒子，铜基纳米粒子具有来源丰富、廉价易于降低工业成本等优点。为了提高其热稳定性，将碳与铜复合组装成Cu/C复合纤维。通过调节纳米结构的形貌、微观尺寸等，可实现对材料性能的调控，对进一步开拓材料的应用领域具有重要的意义。目前人们采用金属机械切削法、静电纺丝-碳化法合成了Cu纤维。而有关豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维尚未见报道。如中国专利文献(CN105442134A)公开了一种抗菌防静电复合铜纤维；中国专利文献(CN200610124078.X；CN103264162A；CN201410637659.8)公开了铜纤维烧结毡及其制造方法；中国专利文献(CN104436860B)公开了一种抗菌防静电复合铜纤维一种负载光触媒的铜纤维过滤网。上述专利文献公开的是主要采用金属机械切削的方法制备铜纤维，其中静电纺丝-碳化法需要高温、特殊的设备，且产量低，能耗大、成本高，而限制了其广泛使用；金属机械切削法所制备的纤维较粗，不能获得匀均的纳米级纤维。因此，急需开发相对工艺简单、成本低、通用、绿色、环保、易于工业化的制备Cu/C复合纳米纤维的新方法。在本专利技术中，我们采用前驱物原位碳热还原法，通过改变前驱物的尺寸、有机碳源的含量、升温速率、焙烧温度来调控Cu和C的含量以及核壳异质纤维的形貌和结构。本专利技术中的豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维结构新颖、分散性和均一性好、尺寸和组成可调，微波吸收特性好等特性，且该方法具有设备简单、周期短、重复性好、可规模化生产等优点，这些材料在玻璃、陶瓷着色剂、油漆防皱、汽车尾气净化、超大规模集成电路、电催化、锂离子电池、表面增强拉曼光谱、微波吸收与屏蔽等领域具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维及其制备与使用方法。所提供的前驱物原位碳热还原法具有设备简单、周期短、重复性好、可规模化生产等优点；所制备的豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维结构新颖、分散性和均一性好，尺寸和组成可调等特性，在电极材料、电催化、表面增强拉曼光谱、微波吸收与屏蔽、光电转换或气敏领域将具有广泛的应用前景。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的核壳异质结构纳米纤维，其组成为C与Cu，C与Cu原子比为0.33～1.91；其结构为Cu核与C壳组成的Cu/C核壳结构纳米纤维，该纤维为豆荚状纳米纤维，其直径为40～240nm；长度可达50微米。该异质结构纳米纤维采用前驱物原位碳热还原法，即：以有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纤维为前驱物、模板剂、导向剂和还原剂，有机聚合物和有机碳源热解得到C，一部分C将Cu2O还原成Cu，一部分C将沉积在Cu表面，得到Cu/C核壳结构纳米纤维。本专利技术提供的上述核壳异质结构纳米纤维，具有优异的轻质宽频带吸收特性；将该核壳异质结构纳米材料以20％质量分数填充在石蜡基底中，其中小于等于–10dB反射率的有效带宽范围为0.40～3.20GHz，小于等于–20dB反射率的频率范围为1.92～4.40GHz，最大反射损耗为–39.10～–44.94dB。本专利技术提供的核壳异质结构纳米纤维的制备方法，采用前驱物原位碳热还原法，具体是：将有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纳米纤维的前驱物和有机碳源分别用陶瓷方舟装载放入管式炉中，在惰性气体保护下焙烧，得到Cu/C核壳异质结构纳米纤维。上述方法中，所述的惰性气体为氮气或氩气。上述方法中，所述的焙烧温度为550～650℃，焙烧升温速率为0.5～5℃/min；焙烧时间为1～3小时。上述方法中，所述的有机碳源为丙酮、苯、甲苯中的一种；其体积为0～4mL。上述方法中，所述的有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纳米纤维为聚吡咯包覆Cu2O纤维、聚苯胺包覆Cu2O纤维中的一种。上述方法制备的Cu/C核壳异质结构纳米纤维，具有优异的轻质宽频带吸收特性；将该材料以20％质量分数填充在石蜡基底中，其中小于等于–10dB反射率的有效带宽范围为0.40～3.20GHz，小于等于–20dB反射率的频率范围为1.92～4.40GHz，最大反射损耗为–39.10～–44.94dB。本专利技术提供的的Cu/C核壳异质结构纳米纤维，以及所述方法制备的Cu/C核壳异质结构纳米纤维，均能够在玻璃、陶瓷着色剂、油漆防皱、汽车尾气净化、超大规模集成电路、电催化、锂离子电池、表面增强拉曼光谱、微波吸收与屏蔽等领域具有广阔的应用前景。本专利技术由于采用了上述的前驱物原位碳热还原法技术方案，使之与现有金属机械切削法、静电纺丝-碳化法相比，具有以下主要的优点和积极效果：(1)豆荚状Cu/C核壳异质结构纳米纤维结构和形成机理新颖；(2)生产设备简单、周期短、能耗低、绿色、环保、重复性好等优点；(3)Cu/C核壳异质结构纳米纤维的组成和尺寸易于调控，尺寸更小：直径为40～240nm，壳层的厚度为9～11nm，长度可达50微米微米，C与Cu原子比为：0.33～1.91；(4)原料廉价易得，制备成本低，效率高，可规模化生产等优点。附图说明图1～图4分别为实施例1中所得产物在能谱、扫描电镜、透射电镜、选取电子衍射下观测到的组成、形貌与结构。图5～图8为实施例2所得产物在能谱、扫描电镜及透射电镜下观测到的组成、形貌与结构。图9～图10为实施例3中所得产物的在能谱及扫描电镜下观测到的形貌与组成。图11～图13分别为实施例4所得产物的在扫描电镜及能谱下观测到的形貌与组成。图14～图19分别为实施例5所得产物在XRD、拉曼散射、扫描、能谱下观测到的物相、结构、表面形貌、组成，以及产物质量分数为20％时的反射线图。图20～图22分别为实施例6所得产物扫描电镜及能谱下观测到的形貌与组成以及产物质量比为20％时的反射线图。图23、25、27、和29分别为实施例7～实施例10所得产物在能谱仪下测到的元素组成图谱。图24、26、28和30分别为实施例7～实施例10所得产物在扫描电镜下观测到的形貌。具体实施方式本专利技术是一种Cu/C核壳异质结构纳米纤维及其制备方法和应用。采用前驱物原位碳热还原法，将有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纳米纤维前驱物和有机碳源分别用陶瓷方舟装载放入管式炉中，在惰性气体保护下550～650℃焙烧1～3小时即可得到所述Cu/C核壳异质结构纳米纤维。C与Cu原子比为0.33～1.91；其结构为Cu核与C壳组成的豆荚状、部分中空的纳米纤维，其直径为40～240nm；长可达几十微米。该纤维具有优异的微波吸收特性：小于等于–10dB反射率的有效带宽为0.40～3.20GHz，最大吸收–39.10～–44.94dB。该方法具有设备简单、周期短、重复性好、可规模化生产等优点；豆荚状纤维结构新颖、尺寸均一可调，组成可调等特性，在电催化、微波吸收、锂离子电池、表面增强拉曼光谱等领域将具有广泛的应用前景。下面结合实施例和附图对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核壳异质结构纳米纤维，其特征在于其组成为C与Cu，C与Cu原子比为0.33～1.91；其结构为Cu核与C壳组成的Cu/C核壳结构纳米纤维，该纤维为豆荚状纳米纤维，其直径为40～240nm；长度可达50微米。

【技术特征摘要】
1.一种核壳异质结构纳米纤维，其特征在于其组成为C与Cu，C与Cu原子比为0.33～1.91；其结构为Cu核与C壳组成的Cu/C核壳结构纳米纤维，该纤维为豆荚状纳米纤维，其直径为40～240nm；长度可达50微米。2.如权利要求1所述的核壳异质结构纳米纤维，其特征在于该异质结构纳米纤维采用前驱物原位碳热还原法，即：以有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纤维为前驱物、模板剂、导向剂和还原剂，有机聚合物和有机碳源热解得到C，一部分C将Cu2O还原成Cu，一部分C将沉积在Cu表面，得到Cu/C核壳结构纳米纤维。3.如权利要求1–2任一所述的核壳异质结构纳米纤维，其特征在于具有优异的轻质宽频带吸收特性；将该异质结构纳米材料以20％质量分数填充在石蜡基底中，其中小于等于–10dB反射率的有效带宽范围为0.40～3.20GHz，小于等于–20dB反射率的频率范围为1.92～4.40GHz，最大反射损耗为–39.10～–44.94dB。4.一种核壳异质结构纳米纤维的制备方法，其特征在于采用前驱物原位碳热还原法，具体是：将有机聚合物包覆的Cu2O核壳异质纳米纤维的前驱物和有机碳源分别用陶瓷方舟装载放入管式炉中，在惰性气体保护下焙烧，得到Cu/C核壳异质结构纳米纤维。5.如权利要求4所述的核壳异质结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：童国秀，何娜，童佳悦，戚佳一，吴文华，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33