[发明专利]一种钒酸铜纳米针及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种钒酸铜纳米针及其制备方法。

背景技术：

层状结构的钒酸铜是一种重要的钒酸盐，具有良好的电学、光学及电化学特性，在电学器件、光学器件及锂离子电池方面拥有良好的应用前景。中国发明专利“钒酸铜电极材料的制备方法及其应用”(专利号：ZL201010243253.3)制备出了组分为Cu₄V_2.15O_9.38的钒酸铜，粒径为5-50μm，这种钒酸铜在锂离子电池方面具有好的应用前景。通过将块体钒酸铜制备成一定维度的纳米材料，例如钒酸铜纳米线及纳米针，可提高块体钒酸铜的电学、光学及电化学特性，并可能出现一些块体钒酸铜不具备的新颖特性，如量子限制效应等，可拓宽其使用范围。

直径均匀的纳米线和圆锥形的纳米针是钒酸铜两种实心一维纳米结构形式。以氯化铜和钒酸铵为原料，通过化学反应可以得到三斜CuV₂O₆晶相构成的钒酸铜纳米线；以钒酸铵、硝酸铜、HCl为原料，通过热退火方法在硅片衬底上也可以制备出三斜CuV₂O₆晶相构成的钒酸铜纳米线。这种钒酸铜纳米线具有良好的场发射和电化学特性，在场发射和电化学器件方面具有良好的应用前景。不同于直径均匀的钒酸铜纳米线，钒酸铜纳米针一端尺寸为微米级，另一端尺寸为纳米级，除了应用于场发射及电化学器件外，还可以应用于特定领域，例如将其应用于探针，作为各种探针的尖端部件，可以提高设备的空间分辨率，所以更加引起了人们的研究兴趣。然而，钒酸铜纳米针是难于制备的。

发明内容：

本发明的目的是提供一种钒酸铜纳米针及其制备方法。

本发明所提供的钒酸铜纳米针由Cu₅V₂O₁₀晶相构成，长度约10μm，纳米针尖端直径约40nm，所述钒酸铜纳米针为单斜结构。

本发明所提供的钒酸铜纳米针的制备方法，是采用乙酸铜、钒酸钠为原料，铜片为沉积衬底，在密闭容器内通过化学沉积过程制备出钒酸铜纳米针，制备方法具体如下：

以乙酸铜、钒酸钠为原料，水为溶剂，铜片为沉积衬底，其中乙酸铜与钒酸钠的摩尔比为1∶2。首先将铜片在蒸馏水内超声清洗十分钟，然后将其固定于反应釜内中间的不锈钢支架上，接着将乙酸铜、钒酸钠与水混合后置于反应釜内并密封，于温度100-200℃、保温6-36h，所述乙酸铜与钒酸钠总量不大于水重量的10％，乙酸铜、钒酸钠与水总量占反应釜的填充度不大于30％。最终在铜片表面得到了均匀的绒状浅灰色沉积物，即为钒酸铜纳米针。

本发明所述乙酸铜与钒酸钠总量占水重量的8％，乙酸铜、钒酸钠与水总量占反应釜的填充度20％。

本发明所述乙酸铜与钒酸钠总量占水重量的5％，乙酸铜、钒酸钠与水总量占反应釜的填充度10％。

本发明较佳的制备条件为温度150-200℃、保温12-24h。

采用金属催化气-液-固(VLS)生长机制可以解释钒酸铜纳米针的形成与生长。见附图1，乙酸铜与钒酸钠溶于水内，在一定温度的水热条件下，乙酸铜与钒酸钠反应形成了钒酸铜，钒酸铜在水热溶液内达到过饱和状态后，从溶液内析出，在水蒸气的带动下分散于反应容器内，并逐渐沉积于预先放置于反应容器中间的铜片上。由于沉积团簇为纳米级，其熔化温度大大降低，纳米团簇逐渐变为熔融或半熔融态，这种熔融或半熔融态的钒酸铜与铜片表面的纳米铜形成铜、钒酸铜纳米团簇液态合金(图1(a))。这些纳米团簇液态合金不断吸收气氛中的钒酸铜分子和铜片表面的铜原子，根据金属催化VLS生长机制，当钒酸铜在铜、钒酸铜纳米团簇中达到饱和状态时，钒酸铜从铜/纳米针的界面析出形成了钒酸铜核(图1(b))。由于铜、钒酸铜纳米团簇液态合金不断吸收气氛中的钒酸铜分子，使得纳米团簇液态合金不断长大，从而导致液态合金的直径不断增加，钒酸铜析出后形成的纳米针直径也不断增大，最终形成了一端直径很小、另一端直径较大的钒酸铜纳米针(图1(c))。