提出一种制备银包铜(Cu-Ag)核壳颗粒的一步化学置换法。使用成本较低的柠檬酸三纳(SC)作为还原剂和螯合剂, 用明胶(Gelatin)作为分散剂, 硫酸银(Ag2SO4)为Ag源, 用一步化学置换法制备银包铜(Cu-Ag)核壳颗粒, 研究了Ag2SO4和SC用量对Cu-Ag颗粒包覆效果和抗氧化性能的影响。结果表明, SC的剂量直接影响表面包裹的Ag颗粒形貌和均匀度。Ag2SO4剂量越大则Cu表面的Ag包裹量越大, 导电性越好。当SC的剂量为1.5 g, Ag2SO4的剂量为8.0 g时Cu-Ag颗粒包覆效果好且电阻较低(仅为1.1 Ω), 因此可尽量降低Ag的消耗量提高颗粒的导电性。
Micro- and nano-sized Cu and Ag core-shell particles were fabricated by a simple and quick-making method with copper micro-particles, gelatin and silver sulfate (Ag2SO4) as raw materials, and citric acid trisodium (SC) as reducing- and chelating-agent. The influence of SC and Ag2SO4 on the morphologies and oxidation resistance of Cu-Ag particles were investigated. The results showed that the dosage of SC directly affected the uniformity and morphology of the Ag coated Cu particles. The more the Ag2SO4 was used, the lower the conductive resistance was for the prepared particles. With dosages of 1.5 g and 8.0 g for SC and Ag2SO4respectively, the Cu- particles could be covered by Ag nanoparticles completely to form core-shell structured Cu-Ag particles, thereafter, the electrical resistance of sheets made of which can reach as low as 1.1Ω.
实验用材料: 微纳纯Cu粉, 分析纯硫酸银(Ag2SO4), 柠檬酸三钠(SC), 明胶(Gelatin)、盐酸(HCl)和无水乙醇。
将5.0 g Cu粉用稀HCl进行酸洗; 将5.0 g明胶加入1000 ml去离子水后搅拌均匀, 配成溶液A。将适量的SC和Ag2SO4加入2500 ml去离子水中, 然后放入棕色瓶中, 搅拌均匀配成溶液B。在实验中, 先固定Ag2SO4用量为11.7 g, 分别加入0 g, 0.5 g, 1.5 g, 6.0 g SC; 再固定SC用量为1.5 g, 分别加入3.0 g, 4.0 g, 5.0 g和8.0 g的Ag2SO4。在27℃在1000rps磁力搅拌条件下将溶液B缓慢倒入溶液A中, 直到溶液变成深绿色, 反应停止。将反应后的样品用去离子水和无水乙醇反复清洗3次, 得到银包铜颗粒产物(Cu-Ag颗粒), 将其放在无水乙醇中保存。
为了研究Ag2SO4用量和还原剂SC用量对Ag包裹作用的影响, 用激光扫描粒径分布仪(LA-950V2)测试Cu核粒径, 用冷场发射扫描电子显微镜(FESEM, JEOL-5600LV) 测试不同产物的表面形貌, 用X射线衍射仪(XRD, D/tax-Rigaku Ultima IV X-ray diffraction)分析Cu-Ag颗粒的晶体结构。为了分析比较不同包覆条件下Cu-Ag颗粒的导电性, 选择相同固含量的Cu-Ag颗粒乙醇溶液, 用滴涂法将其均匀涂在载玻片上, 在150℃烧结30 min, 用四探针测试仪(RTS-8)测量涂层的方块电阻。
将原始Cu粉浸入EG溶液中, 用超声使其分布均匀。用激光扫描粒径分布仪测试原始Cu的平均粒径为2.63
图1 原始Cu粉的粒径分布和SEM照片
Fig.1 Size distribution (a) and SEM image (b) of the raw Cu particles
图2 不同SC剂量下制备的Cu-Ag颗粒SEM照片
Fig.2 SEM images of Cu-Ag particles prepared with different dosages of SC (a) 0 g; (b) 0.5 g; (c) 1.5 g; (d) 6.0 g
为了证明产物是Ag包裹的Cu颗粒, 分别对SC为1.5 g条件下制备的Cu-Ag颗粒进行了XRD和EDS能谱扫描测试。由样品的XRD谱图(
图3 SC的含量为1.5 g时制备的Cu-Ag粉末的XRD衍射图谱
Fig.3 XRD patterns of the Cu-Ag powder prepared with 1.5 g SC
样品的线扫描SEM和EDS能谱, 如
固定SC剂量为1.5 g, 改变Ag2SO4的质量分别为3.0 g, 4.0 g, 5.0 g, 8.0 g, 11.7 g, Cu-Ag颗粒的SEM形貌如
图5 不同Ag2SO4剂量下制备的Cu-Ag产物的形貌
Fig.5 SEM images of the Cu-Ag particles prepared with different dosages of Ag2SO4 (a) 3.0 g, (b) 4.0 g, (c) 5.0 g, (d) 8.0 g and (e) 11.7 g
将在不同条件下制备的Cu-Ag颗粒用超声均匀分散在乙醇溶液中, 采用滴涂法均匀涂在玻璃衬底上, 将样品在150℃烧结30 min后采用四探针测试仪(RTS-8)测量其方块电阻。
表1 不同SC和Ag2SO4剂量Cu-Ag样品的方块电阻
Table 1 Sheet resistance of Cu-Ag samples prepared with different dosages of SC and Ag2SO4
图7 Ag2SO4剂量为8.0 g时制备的Cu-Ag样品在150℃烧结30 min后的SEM照片
Fig.7 SEM images of Cu-Ag particles prepared with 8.0 g Ag2SO4 after being heated under 150℃ for 30 min
在实验过程中Ag2SO4, SC, Cu粉之间发生如下化学反应
Ag2SO4先与柠檬酸根发生螯合作用生成乳白色柠檬酸银螯合物, Cu颗粒再置换柠檬酸银。反应方程式(1)–(4)表明, 要将Ag离子在Cu表面较好的还原, Ag源的用量至少在还原剂的3倍以上。随着螯合剂SC用量的增加Cu-Ag颗粒的抗氧化性能增加, SC剂量为1.5 g时抗氧化性能最佳。SC与Ag+形成了稳定的螯合物, 降低了溶液中游离的Ag+浓度, 从而有效地降低了Ag离子被还原的速率, 并降低了Ag晶核的形成和生长速度, 有利于Ag晶核还没长大时就附着在Cu颗粒表面, 改善包覆情况。SC剂量越大则Ag的生成越慢, 但当SC剂量太多时Ag的生成会很慢。先沉积在Cu粉表面的Ag与Cu形成大量的微电池, 在其作用下Ag的缓慢生成增加其在点缀镀层部位沉积的几率, 更多的Ag沉积在点缀部位, 使Ag在Cu粉表面沉积得愈加不均匀, 降低了Cu-Ag粉的抗氧化性[3]。
用柠檬酸三钠还原法可制备核壳结构的纳微米Cu-Ag颗粒。改变SC和Ag2SO4的剂量可优化Cu-Ag颗粒表面包覆Ag层的均匀性, 使纳微米Cu-Ag颗粒具有较好的导电性能。当SC的剂量为1.5 g、Ag2SO4剂量为8.0 g时Cu-Ag颗粒的电阻达到1.1 Ω, 包覆效果比较完整。
The authors have declared that no competing interests exist.