单晶铜颗粒簇及其制备方法与应用

本发明涉及金属材料及电镀领域，尤其涉及一种单晶铜颗粒簇及其制备方法与应用。

背景技术：

1、铜是人类社会中最常用的金属之一，由于它具有一定的强度和硬度、良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。同时，铜具有储量多、再利用率高等特点，使得铜的成本相对较低，更适于大范围的应用。

2、单晶铜相较于多晶铜而言，不存在晶界的限制，各方面性能都比多晶铜强，如更高的导电性、更优良的机械性能、更强的耐腐蚀性等等。因此，单晶铜比多晶铜具有更广阔的应用前景，如何制备单晶铜也成为当前研究的方向之一。目前常用的单晶铜的制备方法中，由于制备得到的单晶铜颗粒比较小，约0.5μm左右，因此往往需要退火，使其生长之1～1.5μm左右，然而单晶铜会被退火炉内的杂质所污染，如石英渣、灰尘颗粒等等，此类杂质会大大影响单晶铜的质量，甚至会成为异质形核点促进晶界的形成。另一种方法是通过电镀工艺生产单晶铜，例如现有技术cn115679396a中即通过在含铜硫酸铜溶液中通入脉冲电流，制备了单晶铜，其晶格尺寸达到了15μm以上，但其晶粒尺寸不均匀，且仍然存在晶界。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种单晶铜颗粒簇及其制备方法，所制备得到的单晶铜颗粒簇中单晶铜颗粒形貌呈近正方体状，且具备一致的晶格取向，颗粒尺寸大，制备方法简单。

2、本发明还要解决的技术问题在于，提供上述的单晶铜颗粒簇在制备气体传感器、锂离子电池或钠离子电池中的应用。

3、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单晶铜颗粒簇的制备方法，其包括将铜板作为阳极，钛板作为阴极置于硫酸铜溶液中，以20～50ma/cm2的电流密度电镀8～12h，在所述钛板上生长单晶铜颗粒簇，所述单晶铜颗粒簇包括多个单晶铜颗粒，每个单晶铜颗粒具有至少3条直边，多个直角和至少5个平面；

4、其中，所述硫酸铜溶液的ph为1～3，浓度为120～150g/l。

5、作为上述技术方案的改进，电流密度为20～40ma/cm2，电镀时间为9～10.5h。

6、作为上述技术方案的改进，电流密度为30ma/cm2，电镀时间为10h。

7、作为上述技术方案的改进，所述硫酸铜溶液的ph为1，浓度为125g/l。

8、作为上述技术方案的改进，所述硫酸铜溶液的温度为15～40℃。

9、作为上述技术方案的改进，所述硫酸铜溶液的温度为20～30℃。

10、作为上述技术方案的改进，所述单晶铜颗粒的直边的长度为15～25μm。

11、相应的，本发明还公开了一种单晶铜颗粒簇，其由上述的制备方法制备而得。

12、相应的，本发明还公开了上述的单晶铜颗粒簇在制备气体传感器中的应用，所述单晶铜颗粒簇作为感应材料。

13、相应的，本发明还公开了上述的单晶铜颗粒簇在制备锂离子电池或钠离子电池中的应用，所述单晶铜颗粒簇作为电极材料。

14、实施本发明，具有如下有益效果：

15、本发明的单晶铜颗粒簇的通过电解对硫酸铜溶液制备，制备时，采用的阳极为铜板，阴极为钛板。发明人意外地发现，当将电流密度控制为20～50ma/cm2电镀时间控制为8～12h时，可在阴极钛板上得到尺寸呈近正方体结构的单晶铜颗粒组成的单晶铜颗粒簇，其中，每个单晶铜颗粒具有至少3条直边，多个直角和至少5个平面。这种单晶铜颗粒呈现严格的100晶面，且边长达到16～25μm。这提示了其作为感应材料、电极材料应用的可能性。此外，本发明在制备过程中不产生废料，采用的设备简单、操作方便，且反应条件温和、耗时短、易控，利于进行大规模工业生产。

技术特征：

1.一种单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，包括将铜板作为阳极，钛板作为阴极置于硫酸铜溶液中，以20～50ma/cm2的电流密度电镀8～12h，在所述钛板上生长单晶铜颗粒簇，所述单晶铜颗粒簇包括多个单晶铜颗粒，每个单晶铜颗粒具有至少3条直边，多个直角和至少5个平面；

2.如权利要求1所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，电流密度为20～40ma/cm2，电镀时间为9～10.5h。

3.如权利要求1所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，电流密度为30ma/cm2，电镀时间为10h。

4.如权利要求1所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，所述硫酸铜溶液的ph为1，浓度为125g/l。

5.如权利要求1所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，所述硫酸铜溶液的温度为15～40℃。

6.如权利要求1～5任一项所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，所述硫酸铜溶液的温度为20～30℃。

7.如权利要求1～5所述的单晶铜颗粒簇的制备方法，其特征在于，所述单晶铜颗粒的直边的长度为16～25μm。

8.一种单晶铜颗粒簇，其特征在于，由如权利要求1～7任一项所述的单晶铜颗粒簇的制备方法制备而得。

9.如权利要求8所述的单晶铜颗粒簇在制备气体传感器中的应用，其特征在于，所述单晶铜颗粒簇作为感应材料。

10.如权利要求8所述的单晶铜颗粒簇在制备锂离子电池或钠离子电池中的应用，其特征在于，所述单晶铜颗粒簇作为电极材料。

技术总结本发明公开了一种单晶铜颗粒簇及其制备方法与应用，涉及金属材料及电镀领域。其中，单晶铜颗粒簇的制备方法包括将铜板作为阳极，钛板作为阴极置于硫酸铜溶液中，以20～50mA/cm<supgt;2</supgt;的电流密度电镀8～12h，在所述钛板上生长单晶铜颗粒簇，所述单晶铜颗粒簇包括多个单晶铜颗粒，每个单晶铜颗粒具有至少3条直边，多个直角和至少5个平面；其中，所述硫酸铜溶液的pH为1～3，浓度为120～150g/L。实施本发明，可得到由尺寸呈近正方体结构的单晶铜颗粒组成的单晶铜颗粒簇，且本发明的制备方法简单，不产生废料，反应条件温和、耗时短、易控制，利于进行大规模工业生产。技术研发人员：赵春旺,刘承鑫受保护的技术使用者：佛山科学技术学院技术研发日：技术公布日：2024/6/5