基于定向多孔铜基底的多重微纳米结构制备与表征

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多孔铜基底负载Cu O或Cu(OH)2纳米复合结构在催化、传感、电池等领域具有重要潜在应用。定向多孔铜(DPC)基底因具有通道效应,可促进溶质的交换,从而可提高负载的Cu O或Cu(OH)2的性能。因此开展基于DPC基底的Cu O及Cu(OH)2微纳米复合结构的制备与表征具有重要意义。本文以激光熔化沉积(LMD)技术结合化学腐蚀的方法成功制备了DPC,并分别采用热氧化法和碱性氧化法在其上成功制备负载了Cu O纳米线结构与Cu(OH)2纳米草结构,获得基于DPC基底的多重Cu O及Cu(OH)2微纳米复合结构。系统研究了两种微纳米复合结构的形貌演化、生长机制以及电化学葡萄糖传感性能。主要研究结果如下:采用激光熔化沉积技术制备了Cu35Fe65单壁试样,试样发生了明显的相分离现象,呈现出定向富Fe不发达树枝晶分布于富Cu基底中的组织特征。利用硫酸溶液进行12 h腐蚀后获得了内部有纳米多孔铜负载的分层多孔铜(HPC)结构,进一步超声处理后获得定向多孔铜(DPC)结构。DPC具有(100)方向的织构,其孔径尺寸为8.7±0.9μm。对制备的DPC基底在空气中进行热氧化处理,在DPC表面制备得到Cu O纳米线,形成Cu O/DPC微纳米复合结构。制备的Cu O纳米线直径约为100 nm,长度可达2500nm。系统研究了定向多孔铜基底形貌、热氧化参数等对Cu O纳米线生长的影响规律,发现在本研究中Cu O纳米线的生长主要受到应力的影响,多孔铜基底中致密的凹表面处因积累的压应力可促进Cu O在该处的生长,Cu O纳米线的长度随热氧化时间的延长而不断增加,但纳米线密度变化不明显。初步表征Cu O/DPC微纳米复合结构的非酶葡萄糖传感性能测试,发现该结构具有~1.36 m A·m M-1·cm-2的灵敏度,1~10 m M的宽线性范围以及低至1μm的检测极限。对制备的DPC基底在室温条件下进行碱性氧化氧化处理,在DPC表面制备得到Cu(OH)2纳米草,形成Cu(OH)2/DPC微纳米复合结构。随着碱性氧化时间的延长,纳米草的密度和长度不断增加。在反应时间为10 min的条件下获得了最佳致密度,此时Cu(OH)2纳米草直径约为70~100 nm,长度可以达到为5μm。随着反应时间的进一步延长,Cu(OH)2纳米草因溶解反应和重构转变而逐渐转变为更稳定的Cu O纳米片。对制备的Cu(OH)2/DPC微纳米复合结构进行了初步的葡萄糖传感性能测试,发现其具有~2.204 m A·cm-2·m M-1的灵敏度,9 m M的线性检测范围,0.05μm的检测极限,以及4.8s的响应时间。在人体血液葡萄糖常见浓度范围内表现出较为优异的综合性能。
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