快速杀菌大接触表面的氧化铜纳米晶须材料的制作方法

本发明属于材料科学领域，涉及一种可以实现快速杀菌并附着在金属铜表面的氧化铜纳米晶须结构的制备方法。

背景技术：

抗生素的不当使用或过度使用以及细菌不可避免的进化特性，会导致耐药菌菌株的产生。例如：在发现青霉素之后的两年内就观察到耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(mrsa)。由于耐药菌株具有广泛繁殖和快速进化等特点，而且常规抗菌方法对耐药菌株的有效性逐渐降低，其对人类的威胁也越来越大。因此，研究者们开始进行具有抗菌作用的新材料的研究开发。截至目前，已经开发和生产了多种材料，包括具有不同抗菌性能的塑料、陶瓷、衣服、金属和金属合金等。与其他基于化学聚合物的材料相比，金属和金属合金显示出更便宜和更稳定的抗菌性能以及对环境友好等特点。近几个世纪以来，已经报道了具有抗菌特性的多种金属，通过防止细菌污染来最大程度地减少传染病的传播，并已在包括农业、医疗保健、食品和药品包装等行业领域中得到商业使用。铜和银是两种最使用广泛并且可以通过直接接触来有效地灭活不同微生物的金属材料。与银相比，铜的成本更低而且也是各种生物系统必不可少的微量元素，可以起到催化辅助因子的作用。铜是在美国环境保护署(usepa)注册的具有抗菌特性的第一种固体材料，已经注册了350多种铜合金，它们对六种不同细菌具有抗菌活性。与金属表面相比，金属纳米材料和金属氧化物具有更大的优势，可以增大微生物与金属或金属氧化物的接触面积获得更好的抗菌效果，但它们极易渗入环境中，从而造成二次污染，例如活性氧的产生以及其他健康问题。

我们提出了一种成本低廉、操作简单、可大面积制备的氧化铜纳米晶须表面的制备方法，而且氧化铜纳米晶须是附着在金属铜表面的，可避免其对环境造成二次污染。该方法可以通过调节阳极氧化电压、时间、电解液成分等来控制氧化铜纳米晶须的形貌特征，从而增大其比表面积获得更高的抗菌特性，可用于医院和其他环境中需要直接接触的表面如扶手、门把手、电梯按钮等，以防止和减少细菌感染。

技术实现要素：

铜及其氧化物的抗菌性能主要是通过材料表面和细菌之间的直接相互作用来实现的，从而导致其膜破裂，也被称为“接触式杀菌”。这种抗菌特性的机制凸显了微生物与材料表面直接接触对于有效根除和灭活细菌的重要性。在过去的十年中，开发了不同的铜和氧化铜纳米材料以提高其抗菌活性，这种纳米材料独特的小尺寸提供了大的比表面积，从而最大化了微生物与材料的直接接触面积，提高了抗菌效果。在金属表面直接生成纳米级结构的主要方法有气相沉积、激光加工、化学刻蚀等，但是这些方法普遍存在流程复杂、操作难度大和成本较高的劣势。鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种直接附着在金属铜表面的氧化铜纳米晶须结构的制备方法，操作简单、成本低廉并且可以实现大面积制备。通过调节阳极氧化电压、时间和电解液成分等参数可以控制氧化铜纳米晶须结构的比表面积，从而提高其灭菌效果。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的制备方法包括如下步骤：

1)阴极电极的选择；

2)于所述金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，电解液成分、含量的选择；

3)于所述金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，阳极氧化时间、电压的选择；

4)利用步骤1)、2)、3)所选择的阴极电极、电解液和实验参数，在金属铜衬底上制备氧化铜纳米晶须结构。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中选择的阴极电极主要有石墨电极和铂片电极。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中选择的电解液应为中强酸或弱酸。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中选择的阳极氧化电压应在60v以下。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中选择的阳极氧化时间应在1小时以下。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)还应包含如下步骤：

4-1)根据步骤2)选择的电解液成分和含量配置电解液并进行充分搅拌；

4-2)将金属铜和步骤1)选择的阴极电极分别与直流电的正负极相连并浸没在电解液中；

4-3)根据步骤3)选择的阳极氧化时间、电压制备氧化铜纳米晶须结构。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤4-2)中，选择烧杯作为反应容器同时应控制阴阳两电极之间的距离。

作为本发明的氧化铜纳米晶须结构的制备方法的一种优选方案，步骤4-3)制备过程中，还应控制反应温度并对电解液进行实时搅拌。

另外可以通过调节电解液成分、阳极氧化时间、电压、反应温度等参数对氧化铜纳米晶须材料的形貌实现调控，以获得灭菌效果最优的氧化铜纳米晶须材料。

附图说明

图1是阳极氧化法制备氧化铜纳米晶须结构的装置示意图。

图2是利用扫描电子显微镜拍摄的氧化铜纳米晶须结构的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术：所附权利要求书所限定的范围。

本发明实例中，除非特殊说明，采用的原料和设备均为市购，纯度为分析纯及以上；具体为采用的草酸为市购产品，纯度为分析纯。采用的金属铜箔为市购产品，纯度为工业级。采用的铂片电极、直流电电源、恒温反应浴以及烧杯等均为市购产品。

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。

(1)首先将金属铜箔裁剪成与铂片电极相近的大小并进行压平处理，然后将样品分别放在丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗15min后干燥备用。预处理后的样品表面光洁无污物。

(2)采用草酸溶液作为电解液，其中草酸的含量为0.3mol/l；将5.4g草酸固体溶解于200ml的去离子水中并进行充分搅拌。

(3)实验系统如图1所示，采用250ml烧杯作为反应容器，直流稳压稳流电源供电，阳极接预处理后的金属铜箔，阴极接与铜箔面积相近的铂片电极，两电极相对，控制两电极之间的距离在6cm左右，开启磁力搅拌器进行搅拌，在40v电压下电解15min。整个实验过程中利用恒温反应浴使电解液温度控制在5摄氏度。

(4)电解过后的样品在分别在丙酮和去离子水中超声清洗3min并干燥。

(5)利用扫描电子显微镜观察样品，可以发现其表面存在氧化铜纳米晶须结构，如图2所示。

技术特征：

1.一种氧化铜纳米晶须结构的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

1)阴极电极的选择；

2)于所述金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，电解液成分、含量的选择；

3)于所述金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，阳极氧化时间、电压的选择；

4)利用步骤1)、2)、3)所选择的衬底、电解液和实验参数，在金属铜衬底上制备氧化铜纳米晶须结构，所述制备流程包括：

4-1)根据步骤2)选择的电解液成分和含量配置电解液并进行充分搅拌；

4-2)将金属铜和步骤1)选择的阴极电极分别与直流电的正负极相连并浸没在电解液中；

4-3)根据步骤3)选择的阳极氧化时间、电压制备氧化铜纳米晶须结构。

2.根据权利要求1所述的一种氧化铜纳米晶须结构的制备方法，其特征在于步骤1)中选择阴极电极必须是比金属铜更不活泼的材料，通常选用石墨电极或者铂片电极。

3.根据权利要求1所述的一种氧化铜纳米晶须结构的制备方法，其特征在于步骤2)对电解液的选择，需要在通电情况下能与金属铜发生反应，由于剧烈反应可能会导致氧化铜纳米晶须结构无法形成，电解液通常选用中强酸或弱酸。

4.根据权利要求1所述的一种氧化铜纳米晶须结构的制备方法，其特征在于步骤3)中对氧化电压的选择，电压过强会使反应过于剧烈从而导致氧化铜纳米晶须结构无法形成，氧化电压通常在60v以下。

5.根据权利要求1所述的一种氧化铜纳米晶须结构的制备方法，其特征在于步骤3)中对氧化时间的选择，时间过长也会导致氧化铜纳米晶须结构无法形成，氧化时间通常在1小时以下。

技术总结本发明提供一种附着在金属铜表面的氧化铜纳米晶须结构的制备方法：1)阴极电极的选择；2)于金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，电解液成分、含量的选择；3)于金属铜衬底的上制备氧化铜纳米晶须结构，氧化时间、电压的选择；4)利用步骤1)、2)、3)所选择的阴极电极、电解液和实验参数，制备氧化铜纳米晶须结构。本发明采用的制备方法操作简单、成本低廉、适合大面积制备；可以通过调节实验参数获得更大的比表面积；制备的氧化铜纳米晶须结构对于多种细菌具有较强的灭菌活性，可用于医院和各类环境中需要直接接触的表面如扶手、门把手等，减少细菌的传播和感染；氧化铜纳米晶须结构直接附着在金属铜上，不会对环境造成二次污染。技术研发人员：匡登峰;李文爽;杨卓受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：2020.06.23技术公布日：2020.10.23