[发明专利]一种水溶性纳米铜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种水溶性纳米铜及其制备方法。

背景技术

纳米铜作为金属纳米材料的一个重要分支，因其特异的物理化学性质被广泛应用于导电涂料、电极材料、磁流体、催化等领域，尤其作为新型润滑材料显示了其广阔的应用前景。但纯净的纳米铜颗粒的比表面积大,化学活性高,在空气中极易被氧化而失去原有的物理化学特性,并且在介质中的分散性差,容易产生沉淀。纳米铜颗粒稳定性和分散性差的缺陷极大地限制了其在工业领域中的应用，因此需要对纳米铜进行表面修饰。

近年来有关表面修饰纳米铜微粒的制备、性能及应用的研究在国内外一直受到广泛的关注。原位表面修饰技术在纳米微粒形成的同时，修饰剂对纳米微粒进行包覆，能够有效地控制纳米粒子的团聚以及提高和改善其在介质中的分散性和稳定性。其中原位表面修饰的单分子层保护的纳米铜团簇（Monolayer -Protected Cluster Molecules，简称Cu MPC）不同于利用其他方法制备的纳米铜微粒，它们通常是利用和金属铜有极强亲和力的有机分子作为配体，纳米铜颗粒与有机配体通过共价或配位的形式组装形成超分子体系。这些MPC通常具有较高的稳定性，能够从溶剂中反复分离和分散，容易制备等优点。

目前，有机单分子层修饰的纳米铜团簇的制备主要集中在油溶性的纳米铜（铜的有机溶胶）方面，而水溶性纳米铜（铜的水溶胶）的研究较少。例如，河南大学张晟昴等人发明了采用原位表面修饰技术，通过液相化学还原法制备出了油溶性纳米铜（有机溶胶）（公开号 CN 101259531A）。并且测试了纳米铜作为润滑油添加剂具有良好的极压抗磨作用和优良的抗氧化性能，实现了工业化生产，但其应用只能局限于非极性介质中。O.Tzhayik等人以黄原酸的衍生物作为修饰剂制备了纳米铜水溶胶，但其稳定时间较短，容易产生沉淀;见O.Tzhayik.etal., Langmuir., (2002) 18: 3364。 现有的纳米铜有机溶胶和水溶胶因不能溶于水或在水中的稳定性差，在以水相作为介质的工业应用中如水基金属切削液和水相催化中，难以发挥其应有的优异的润滑和催化性能。同时从环境友好和经济角度考虑，水基纳米铜的研发是一种发展趋势，因此研制出能够在水相中有效分散并且稳定存在的纳米铜微粒具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水溶性纳米铜及其制备方法，获得的纳米铜可以在通常条件下稳定存在、在水中能以“溶解”的形式形成稳定分散体系的金属纳米铜微粒。

本发明采用的技术方案如下：

一种水溶性纳米铜，所述的纳米铜为含巯基有机化合物表面修饰剂键合于金属铜纳米微粒的表面形成的稳定的有机单分子表面修饰的纳米铜团簇，结构式如下：

，

其中R为直链或支链烷基，X为-OH、-NH₂ 、-COOH、-SO₃H、-SH官能团或其盐，R所含碳原子个数为1-5，700≤m≤5500，175≤n≤5500。

本发明还进一步提供了一种水溶性纳米铜的制备方法，先配制含有还原剂、表面修饰剂的混合碱性溶液，然后将铜前驱体溶液加入到上述混合溶液中，在pH为9-14的碱性条件下反应0.5-10 h，即得所述水溶性纳米铜。

铜前躯体、还原剂、表面修饰剂的投料物质的量比为1:0.1-10:0.1-10。

铜的前驱体为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、醋酸铜、氢氧化铜中的一种或几种的混合物。

铜前躯体溶液的浓度为0.1-1 mol/L。

所述的还原剂为甲醛、硼氢化钠、次磷酸钠、水合肼、抗坏血酸中的一种或几种的混合物。

还原剂溶液浓度为0.02—2mol/L，修饰剂溶液的浓度为0.02—1mol/L。

反应体系的溶剂为水或乙醇水溶液。

采用下述一种或几种调整反应体系的pH值：氢氧化钠、尿素、氨水、乙二胺、二乙胺或三乙醇胺。

反应于10-80℃进行。

本发明所述纳米铜是指表面修饰剂含巯基有机化合物键合于金属铜纳米微粒的表面形成的稳定的有机单分子表面修饰的纳米铜团簇（Monolayer-Protected Clusters，简称MPC）。