一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法，该微米线阵列均匀分布在碳纸两面，其直径约为1～10微米，长度约为50～500微米。制备过程主要包括在碳纸上镀铜和水热反应生长四硫七铜一钾微米线阵列两步。碳纸镀铜：先将碳纸进行粗化、敏化和活化处理，再放入配好的镀铜溶液中浸泡，经清洗、干燥后即得镀铜的碳纸。在镀铜的碳纸上生长四硫七铜一钾微米线：先按一定比例配制含有无水乙醇、硫粉和氢氧化钾的混合液，接着将该混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，并放入镀铜的碳纸，密封后进行水热反应，反应结束后经清洗、干燥，即得到在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列。

A preparation method for the growth of tetrathioheptacu potassium micro meter line array on carbon paper

【技术实现步骤摘要】
一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法
本专利技术涉及微/纳米材料合成领域，具体地说，特别涉及一种在碳纸材料上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法。
技术介绍
碱金属离子嵌入Cu-S晶格体系中，形成三元A-Cu-S化合物(A为碱金属元素)，具有多样的组成结构以及传输特性。KCu7S4是A-Cu-S体系中的一种，在室温下可以作为半导体材料。ShugeDai等人在2013年采用水热法合成了KCu7S4纳米线，同时在KCu7S4纳米线上分别复合了Mn、MnO2、碳颗粒(C)、石墨烯(GP)、石墨(GN)，复合材料都表现出较高的比电容和能量密度及良好的循环稳定性。此外，万步勇等人在2013年在采用水热法合成Cu2S纳米晶体的基础上，通过调整碱含量(KOH或NaOH)，实现了K+，Na+的原位掺杂，获得了KCu7S4和NaCu5S3纳米晶体，讨论了产物的掺杂形成机理。2016年，C.G.Hu等人采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算，研究了K+、Li+和H+在原子层面上的详细机理，并使用TheNudgedElasticBand的方法计算了KCu7S4通道中离子的扩散机制。目前的四硫七铜一钾的制备方法中，大多数制备的是粉末状的产物，尚未有在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的报道。基于此，本专利技术首次在碳纸材料上生长四硫七铜一钾微米线阵列，优化了制备工艺，缩短了反应时间，降低了反应温度，过程简单，适合工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在碳纸材料上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法，并且本制备方法反应条件温和，温度相对较低，时间较短，成本低廉，过程简单。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：(1)、裁剪面积为1～3cm2的碳纸，用清水、无水乙醇在超声波设备中洗涤15～30min，备用；(2)、配制氯化锡/盐酸混合溶液：称取3.0g氯化锡置于100mL烧杯中，滴加6mL浓盐酸，然后加清水至100mL，搅拌均匀后加入一粒锡粒(防止水解)，放置备用；(3)、配制氯化钯/盐酸混合溶液：称取0.025g氯化钯置于100mL的烧杯中，滴加1mL浓盐酸后加清水至100mL，搅拌均匀，放置备用；(4)、配制镀液：称取硫酸铜(1.0～1.2g)，酒石酸钾钠(3.5～4.0g)，氢氧化钠(1.5～2.0g)，依次用清水溶于100mL烧杯中，搅拌均匀后滴加甲醛溶液(1.0～1.5mL)，加清水至100mL，再次搅拌均匀后得到镀铜的镀液；(5)、碳纸粗化：将步骤(1)中的碳纸用饱和重铬酸钾溶液浸泡10～20秒后取出，用清水冲洗干净；(6)、碳纸敏化：将步骤(5)所得的粗化过后的碳纸放入步骤(2)配好的溶液中，浸泡10～15min后取出，用清水冲洗干净；(7)、碳纸活化：将步骤(6)所得的敏化过后的碳纸放入步骤(3)配好的溶液中，浸泡10～15min后取出，用清水冲洗干净，即可得到处理好的碳纸；(8)、将步骤(7)所得的处理好的碳纸放入步骤(4)的镀液中，室温下浸泡2～10min后取出，分别用清水和无水乙醇洗净，置于40～60℃的干燥设备中干燥30～60min，得到镀铜的碳纸；(9)、量取无水乙醇(1.0～1.2mL)，超纯水(4.5～5.0mL)加入反应容器中；(10)、称取硫粉(5～20mg)和氢氧化钾(2.0～3.0g)放入步骤(9)的反应容器中，并搅拌10～30min；(11)、将步骤(8)所得镀铜的碳纸放入步骤(10)的反应容器中，并将反应容器密封于反应釜中；(12)、将步骤(11)所得的反应釜置入能恒温控制的加热设备中，反应温度为110～150℃，反应时间为2～12小时；(13)、反应完毕后，将步骤(12)所得的反应釜从加热设备中取出，冷却至室温，将产物取出，经清洗、干燥后，即得在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列。采用上述技术方案，本专利技术以硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠和甲醛的混合液为镀液，在常规的碳纸材料上镀铜，以镀铜的碳纸、硫粉和氢氧化钾作为原料，以无水乙醇和超纯水混合液为溶剂，在110～150℃下合成了在碳纸材料上生长的四硫七铜一钾微米线阵列。该方法因合成温度低、时间短，容易实现合成过程的控制，生产成本低廉，适用于工业化生产。在制备过程中没有采用表面活性剂和有机助剂，经清水和无水乙醇清洗后的四硫七铜一钾微米线阵列表面清洁，能最大程度发挥其应有的功能。作为优选：所述硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、甲醛溶液的用量比为：1.0～1.2g:3.5～4.0g:1.5～2.0g:1.0～1.5mL。作为优选：所述硫粉、氢氧化钾、无水乙醇、超纯水的比例为5～20mg:2.0～3.0g:1.0～1.2mL:4.5～5.0mL。上述步骤中：所述清水为去离子水或超纯水或蒸馏水或纯净水。上述步骤中：所述搅拌方式为磁力搅拌器搅拌或机械搅拌器搅拌或用玻璃棒手动搅拌。上述步骤(1)中：所述超声波设备为超声波清洗器或超声波震荡器；上述步骤(8)中：所述干燥设备为烘箱或鼓风干燥箱或真空干燥箱。上述步骤(9)中：所述反应容器由耐高温高压、耐酸碱的材料制成。在上述技术方案中：所述反应容器为聚四氟乙烯容器。上述步骤(12)中：所述恒温控制的加热设备是马弗炉或电阻炉或干燥箱或烘箱。上述步骤(13)中：所述反应釜自然冷却或用水冷却至室温；所述产物用去离子水或超纯水和无水乙醇冲洗，然后自然晾干或热烘干得到产品。有益效果：本专利技术所采用的原料为廉价的碳纸、硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、甲醛、硫粉、氢氧化钾和无水乙醇，合成过程简单，反应条件温和。所得产物为在碳纸材料上直接生长的四硫七铜一钾微米线阵列，形貌独特。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的X射线衍射图，插图为X射线衍射图谱的局部放大图；图2是本专利技术实施例1制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的低倍扫描电子显微镜图；图3是本专利技术实施例1制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的高倍扫描电子显微镜图；图4是本专利技术实施例1制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的能谱图；图5是本专利技术实施例2制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的低倍扫描电子显微镜图；图6是本专利技术实施例2制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的高倍扫描电子显微镜图；图7是本专利技术实施例3制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的低倍扫描电子显微镜图；图8是本专利技术实施例3制备的在碳纸上生长的四硫七铜一钾微米线阵列的高倍扫描电子显微镜图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明：实施例1：(1)、裁剪面积为1×2cm2的碳纸，用去离子水、无水乙醇在超声波清洗器中洗涤15min，备用；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法，其特征在于：按照以下步骤完成：/n(1)裁剪面积为1～3cm

【技术特征摘要】
1.一种在碳纸上生长四硫七铜一钾微米线阵列的制备方法，其特征在于：按照以下步骤完成：
(1)裁剪面积为1～3cm2的碳纸，用清水、无水乙醇在超声波设备中洗涤15～30min，备用；
(2)配制氯化锡/盐酸混合溶液：称取3.0g氯化锡置于100mL烧杯中，滴加6mL浓盐酸，然后加清水至100mL，搅拌均匀后加入一粒锡粒(防止水解)，放置备用；
(3)配制氯化钯/盐酸混合溶液：称取0.025g氯化钯置于100mL的烧杯中，滴加1mL浓盐酸后加清水至100mL，搅拌均匀，放置备用；
(4)配制镀液：称取硫酸铜(1.0～1.2g)，酒石酸钾钠(3.5～4.0g)，氢氧化钠(1.5～2.0g)，依次用清水溶于100mL烧杯中，搅拌均匀后滴加甲醛溶液1.0～1.5mL，加清水至100mL，再次搅拌均匀后得到镀铜的镀液；
(5)碳纸粗化：将步骤(1)中的碳纸用饱和重铬酸钾溶液浸泡10～20秒后取出，用清水冲洗干净；
(6)碳纸敏化：将步骤(5)所得的粗化过后的碳纸放入步骤(2)配好的溶液中，浸泡10～15min后取出，用清水冲洗干净；
(7)碳纸活化：将步骤(6)所得的敏化过后的碳纸放入步骤(3)配好的溶液中，浸泡10～15min后取出，用清水冲洗干净，即可得到处理好的碳纸；
(8)将步骤(7)所得的处理好的碳纸放入步骤(4)的镀液中，室温下浸泡2～10min后取出，分别用清水和无水乙醇洗净，置于40～60℃的干燥设备中干燥30～60min，得到镀铜的碳纸；
(9)量取无水乙醇(1.0～1.2mL)和超纯水(4.5～5.0mL)，加入反应容器中；
(10)称取硫粉(5～20mg)和氢氧化钾(2.0～3.0g)放入步骤(9)的反应容器中，并搅拌10～30min；
(11)将步骤(8)所得的镀铜的碳纸放入步骤(10)的反应容器中，并将反应容器密封于反应釜中；
(12)将步骤(11)所得的反应釜置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张开友，薛永刚，吴丽婷，张瑜，覃爱苗，陈硕平，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45