一种纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种纳米复合材料及其制备方法和应用。所述纳米复合材料包括纳米Cu、纳米Cu2O和纳米CuO，其中，以所述复合材料的总重量计，所述纳米Cu的含量为50wt％～90wt％。本发明专利技术的纳米复合材料具有优异的电化学催化硝酸根还原的稳定性，同时在固液体系中易回收，能重复多次使用。重复多次使用。重复多次使用。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料领域，尤其涉及一种纳米复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氮肥使用量的增加使得硝酸盐越来越多地出现在农业径流和工业废物中，并成为最常见的地下水污染物的主要原因之一，水体中硝酸盐过量直接导致了自然水体富营养化以及其他环境问题。硝酸盐也会进入饮用水，摄入过量的硝酸盐会导致严重的健康问题，例如婴儿高铁血红蛋白血症和癌症。将硝酸盐转化为危害较小的氮或有用的氨产品是目前尽量减少氮资源浪费并阻断氮循环的最好方法之一。氨具有高能量密度(4.32kWh L
‑1)，氢容量高(17.65％)，是一种清洁的无碳能源载体，同时，氨不仅是人造氮肥的重要氮源,而且也是纺织、制药等化工行业的重要原料。
[0003]含硝酸根(NO3‑
)污水的修复主要有生物法、物理法和电催化法三种方法，旨在将硝酸根转化成无害的产物。生物法是最广泛、技术最成熟的方法，但饮用水中的致病菌是生物消耗的一个严重问题。物理法包括反渗透、电凝、电渗析和离子交换，通常用于饮用水的处理，但处理过程中产生含有二次硝酸盐的废水是不可避免的。与这些方法相比，使用催化剂进行电催化还原NO3‑
(NO3RR)不产生二次废物流，且具有操作条件温和、催化剂可重复利用的优势。
[0004]然而，电化学催化还原NO3‑
面临以下几点困难：1.N
‑
N耦合反应难度较大；2.存在NH
4+
/NH3和析氢反应的动力学竞争；3.难以选择性地将NO3‑
全部还原为NH
4+
、N2等无害产物而无还原反应的中间有害产物亚硝酸盐；4.低的NO3‑
转化效率。因此，有效地将NO3‑
转化为无害化产品仍然面临着重大挑战。理想的电催化还原NO3‑
的催化剂应能解决以上几个难题。
[0005]目前在电化学催化还原硝酸根的研究多集中在贵金属(M)掺杂的复合材料上，其中由于Cu能更好地促进硝酸根还原的决速步骤(NO3‑
→
NO2‑
)，所以Cu/M复合材料得到了广泛的研究。但由于贵金属的加入使得催化剂的成本过高，不适用于实际应用。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的上述技术问题之一，本专利技术提供了一种含铜和铜的氧化物的纳米复合材料及其制备方法。本专利技术的复合材料具有优异的电化学催化硝酸根还原性能，且制备方法简单易操作，条件温和。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种纳米复合材料，包括纳米Cu、纳米Cu2O和纳米CuO，其中，以所述复合材料的总重量计，所述纳米Cu的含量为50wt％～90wt％。
[0008]本专利技术中，所述纳米Cu的含量为50wt％～90wt％，例如可以是50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％或90wt％。
[0009]优选地，以所述纳米复合材料的总重量计，纳米Cu的含量为65wt％～85wt％。
[0010]优选地，以所述纳米复合材料的总重量计，纳米Cu2O和纳米CuO的含量为15wt％～35wt％，例如15wt％、18wt％、20wt％、22wt％、25wt％或28wt％。
[0011]根据本专利技术的一些实施方式，以所述纳米复合材料的总重量计，所述Cu2O的含量为5～20wt％，例如5wt％、6wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％、18wt％或20wt％，优选为6wt％～18wt％。
[0012]根据本专利技术的一些实施方式，以所述纳米复合材料的总重量计，所述CuO的含量为5～30wt％，例如8wt％、10wt％、15wt％、18wt％、20wt％、25wt％、28wt％或30wt％，优选为9wt％～20wt％。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米Cu与纳米Cu2O的质量比为1：(0.05～0.4)，例如1：0.08、1：0.1、1：0.15、1：0.2、1：0.25、1：0.3、1：0.35或1：0.4。
[0014]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米Cu与纳米CuO的质量比为1：(0.05～0.6)，例如1：0.08、1：0.1、1：0.15、1：0.2、1：0.25、1：0.3、1：0.35、1：0.4、1：0.45、1：0.5、1：0.55或1：0.6。
[0015]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米复合材料为核壳结构。本专利技术所述核壳结构呈超薄银耳状，包括中心区域(核结构)以及从中心区域发出的由多层纳米薄片堆叠而成的壳层结构，其直径在1000nm以下，其中，中心区域直径为250nm～300nm，壳层结构中的纳米片的厚度为5nm～10nm，长度为200nm～500nm。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0017]将纳米铜与含有氧化剂的溶液混合并反应，得到含有纳米Cu、纳米Cu2O和纳米CuO的反应液。
[0018]本专利技术的方法得到的产物可以通过控制氧化剂的浓度以及反应时间，将纳米铜进行不同程度的氧化，从而得到氧化物含量不同的Cu/Cu2O/CuO纳米复合材料。在氧化剂浓度一定的情况下，若反应时间过短，则纳米铜被氧化的程度较低，铜的氧化物Cu2O或者CuO的含量低，得到的纳米复合材料片状结构少，催化性能相对较低；而过长的氧化时间则可能会使得纳米铜大部分或者全部氧化为铜的氧化物，导致产品因铜的含量过低而失去较好的催化性能。同样，在反应时间一定的情况下，氧化剂的浓度过低或者过高，都不太有利于纳米铜的氧化，得到的产物中，铜的氧化物Cu2O或者CuO的含量太低或者太高，影响产物形貌的同时，对其催化活性不利。因此，本专利技术中需要控制合适的氧化剂浓度以及反应时间，才能得到氧化程度合适的产品，保障产品具有较高的催化性能。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米铜与所述氧化剂的质量比为1：(50～100)，例如1：50、1：55、1：60、1：65、1：70、1：75、1：80、1：85、1：90、1：95或1:100。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述氧化剂选自氧化性酸和氧化性酸的盐，优选过氧化氢、高锰酸钾和重铬酸钾中的一种或多种。优选地，所述含有氧化剂的溶液中氧化剂的浓度为10％～40％。
[0021]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米铜与所述含有氧化剂的溶液的质量体积比为1mg：(0.05～0.5)mL，例如1mg：0.05mL、1mg：0.08mL、1mg：0.1mL、1mg：0.15mL、1mg：0.2mL、1mg：0.25mL、1mg：0.3mL、1mg：0.35mL、1mg：0.4mL、1mg：0.45mL或1mg：0.5mL。
[0022]根据本专利技术的一些实施方式，所述纳米铜与所述过氧化氢的质量比为1：(50～100)。
[0023]根据本专利技术的一些实施方式，所述反应的温度为20℃～35℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合材料，包括纳米Cu、纳米Cu2O和纳米CuO，其中，以所述复合材料的总重量计，所述纳米Cu的含量为50wt％～90wt％。2.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，以所述复合材料的总重量计，所述Cu2O的含量为5wt％～20wt％；和/或所述CuO的含量为5wt％～30wt％。3.根据权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述Cu与Cu2O的质量比为1：(0.05～0.4)；和/或所述Cu与CuO的质量比为1：(0.05～0.6)。4.根据权利要求1～3中任一项所述的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料为核壳结构，优选地，所述核壳结构的壳由多层纳米片堆叠而成，更优选地，所述纳米片的厚度为5～10nm，长度为200nm～500nm。5.一种纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米铜与含有氧化剂的溶液混合并反应，得到含有Cu、Cu2O和CuO的反应液。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米铜与所述氧化剂的质量比为1：(50～100)；优选地，所述氧化剂选自氧化性酸和氧化性酸的盐，优选过氧化氢、高锰酸钾和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华，方雅涵，涂牧东，汪宝堆，郝天志，朱柳，彭勇，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：