铜基纳米复合材料的制备及其性能研究

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金属纳米材料具有优良的导电性、导热性和催化性能,在抗菌、催化、传感、生物医疗、电磁屏蔽等领域具有广泛的应用前景。铜纳米材料比表面积大、表面活性高,但在空气中易被氧化。为提高其抗氧化能力,铜基复合纳米材料的制备及其界面性能研究已发展成为当前国内外的一个研究热点。另一方面,碳材料化学性能稳定,是制备高导电、高强度铜基复合材料的一种理想材料。本论文采用聚合物包覆原位碳化的方法制备了形貌规整的核壳Cu@C纳米立方颗粒等多种纳米复合材料,分别研究了它们在电化学无酶葡萄糖检测及电磁屏蔽领域的应用性能。具体研究内容如下:(1)核壳Cu@C纳米立方颗粒的制备及其无酶葡萄糖传感器性能研究。将水溶性聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)包覆于立方Cu2O纳米颗粒表面,立方Cu2O经原位碳化后被还原为纳米铜,而PVP热解为碳包裹于立方铜核表面,由此制备了独特且形貌规整的核壳Cu@C纳米立方颗粒。当PVP浓度为1.5 mg/m L、退火温度为600°C时,制备了壳层厚度为~6.48 nm、粒径均匀分散的核壳Cu@C纳米立方颗粒。碳壳层不仅有效保护了铜核免受氧化,而且相互连接形成连续导电网络。600°C退火条件下制备的核壳Cu@C纳米立方颗粒表现了优异的电催化氧化葡萄糖的活性。Cu@C/Nafion/GCE检测葡萄糖的线性范围为40μM~40 m M,检测极限低至21.35μM(S/N=3),灵敏度高达2565μA/(m M·cm2)。在实际的生物应用中作为无酶葡萄糖电化学传感器,可以精确检测人血清样品中的葡萄糖浓度。(2)Cu@C/MWCNTs复合薄膜的制备及其电磁屏蔽性能研究。通过真空辅助过滤的方法,制备了不同碳壳层厚度的核壳Cu@C纳米立方颗粒与多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)复合的一系列柔性薄膜,其厚度在52.20~77.06μm之间。其中,1.5 mg/m L-Cu@C/MWCNTs复合薄膜(52.20μm)表现了最佳导电性以及最高的比电磁屏蔽值510.73 d B/mm,远远优于纯MWCNTs膜(439.50 d B/mm)。另一方面,进一步对1.5 mg/m L-Cu@C/MWCNTs复合薄膜进行研究,探讨了不同质量的MWCNTs对复合薄膜的性能影响。当1.5mg/m L-Cu@C与MWCNTs的质量比为5:5时,复合薄膜具有最高的电磁屏蔽效能、良好的机械性能以及良好的重现性。证明了MWCNTs能有效增强铜基纳米材料的力学性能、电磁屏蔽性能以及导电性能。(3)Cu-PDA-CMF复合薄膜的制备及其电磁屏蔽性研究。通过无电沉积纳米铜均匀包裹在甘蔗微纤上,再经过真空辅助过滤制备了纤维素铜复合薄膜,进一步采用机械压制处理,使导电纤维间连接更为紧密,提高了柔性纤维素铜复合薄膜的导电性能和电磁屏蔽效能。实验表明,经机械压制得到的纤维素铜复合薄膜的电导率为1015 S/cm,电磁屏蔽效能值为86.42 d B。纤维素铜导电薄膜因其具有特殊的网状结构,增强了电磁波在其内部的反射能力和吸收效能。
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