基于聚乙烯醇和铜纳米粒子的纳米复合聚合物的结构、光学及电学特性的研究

《Journal of Molecular Structure》：Investigation of Structure, Optical, and Electrical Features of nanocomposite polymer based on polyvinyl alcohol and Copper Nanoparticles

本研究通过溶液浇铸法制备了不同铜含量的PVA-H3PO4-Cu纳米复合薄膜，并利用XRD、FTIR和SEM表征其结构。结果表明，铜含量增加导致PVA结晶度降低，但提升了薄膜的导电性和光学性能，最佳浓度为0.1 wt.%。该材料在光电子和能源领域具有应用潜力。

　　

A. Bakr | T.S. Soliman | M.G. El-Shaarawy | T.Y. Elrasasi

埃及梅努菲亚省埃尔-巴古尔高等工程技术学院基础工程科学系

摘要

本研究的动机在于聚乙烯醇（PVA）基质中H₃PO₄和铜（Cu）纳米颗粒的独特组合。通过溶液浇铸法制备了PVA-H₃PO₄-x wt.% Cu（x= 0, 0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5）纳米复合薄膜。随后，使用X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对聚合物薄膜进行了表征。XRD证实了铜在纳米尺度上的存在。此外，XRD和FTIR分析进一步验证了聚合物纳米复合体的形成以及铜纳米颗粒插入导致聚合物结构的变化。XRD结果显示，随着Cu浓度的增加，PVA的结晶度降低。紫外-可见光谱用于研究聚合物基质中Cu浓度增加时光学特性的变化。光学测量表明，吸收边缘发生红移，带隙显著减小，直接带隙从5.45 eV降至4.05 eV，间接带隙从4.90 eV降至3.15 eV。电学研究表明，热激活的直流电导率由混合的质子-电子传输机制控制。最佳Cu浓度为0.1 wt.%，此时电导率最高，激活能最低（0.29 eV）。H?PO?和Cu纳米颗粒提高了基于PVA的薄膜在光电和能源应用中的性能。

引言

科学家们最近对聚合物-金属纳米复合材料产生了兴趣，因为它们具有广泛且吸引人的特性，如低成本、轻质、耐候性、易于制造以及优异的光学和电学性能。聚合物-金属纳米复合材料可用于各种现代应用，包括光学、电子、微电子设备和光电应用[1]。

不同的聚合物，包括聚-3-己基噻吩（P₃HT）[2]、聚氯乙烯（PVC）[3]、聚苯胺（PANI）[4]、聚乙烯醇（PVA）[5]和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[6]，已被用于聚合物-金属纳米复合材料的制备。

聚乙烯醇（PVA）因其独特的性质而受到研究人员的关注，例如水溶性、无毒、易于制备、耐久性、热稳定性以及高的光学和机械性能[7]。PVA的主链由碳原子组成，碳原子上连接着羟基（-OH）团。这些羟基能够形成氢键，从而促进聚合物纳米复合体的形成[8,9]。PVA是一种流行的透明聚合物基质，适用于承载金属纳米颗粒，由于其介电、机械和光学性能而在工业应用中受到广泛关注[10]。

为了改善PVA的光学和电学性能，可以添加各种添加剂，如纯金属（例如银[11]、镍[9]、钛酸钡[12]、赤铁矿[13]、金[14]）和一些氧化物（例如氧化石墨烯[15]、碘化钠[16]、氧化镍[17]、氧化铜-氧化石墨烯[18]、氧化铈[19]、还原氧化石墨烯[20]、壳聚糖-氧化石墨烯[21]、PMMA功能化的氧化石墨烯[22]等）。

本文使用铜纳米颗粒，因为它们具有优异的电导率和热导率，这大大增强了聚合物基质内的电荷传输。此外，由于表面等离子体共振效应，铜纳米颗粒在可见光谱中表现出显著的光学吸收，使其适用于光电应用。同时，它们低成本、易于获取且与聚合物基质的相容性好，使得铜纳米颗粒成为增强聚合物纳米复合材料光学和电学性能的理想选择，相比贵金属纳米颗粒更具优势[10,23]。

向PVA中添加磷酸增加了聚合物基质中的可移动电荷载流子数量，从而提高了其电导率[24]。通过与PVA的羟基相互作用，酸使聚合物链质子化，促进了电荷传输。这种相互作用使PVA在保持机械性能基本不变的情况下，更适用于光电应用。最近，掺杂了H?PO?的PVA薄膜显示出增强的离子传输和介电松弛，从而在室温下提高了PVA的离子电导率[25]。

本研究旨在通过溶液浇铸技术制备基于PVA的聚合物纳米复合薄膜，并通过化学还原过程合成铜纳米颗粒，以调控混合的离子-电子传输，从而提高薄膜的电学和光学性能，为其在光电和能源相关应用中的潜力奠定基础。

材料

聚乙烯醇（PVA，99%水解，分子量约为85,000–124,000 g/mol）、硫酸铜（CuSO?·5H?O，纯度95%）、氢氧化钠（NaOH，纯度≥98%）、磷酸（H?PO?，纯度85%）和抗坏血酸（C?H?O?，纯度≥97%）均由埃及Alfa Chemical Group提供。

铜纳米颗粒的制备

首先，将5克CuSO₄溶解在蒸馏水中。然后向CuSO₄溶液中加入1.6克NaOH。在持续搅拌下，溶液变为蓝色，表明形成了氢氧化铜（II）。

XRD分析

使用XRD分析了制备的铜粉末和不同Cu纳米颗粒浓度的聚合物纳米复合体的结构。图3展示了制备的铜粉末和PVA-H₃PO₄- x wt.% Cu聚合物薄膜的XRD图谱。

图3a显示了制备的铜粉末的衍射图谱。观察到三个峰值，分别位于2θ = 43.20°、50.33°和74.01°，表明形成了立方相的（111）、（200）和（220）晶面[26]。

结论

研究了PVA-H₃PO₄-Cu纳米复合体的结构、光学和电学性能与Cu纳米颗粒浓度之间的关系。XRD分析证实，随着Cu含量的增加，PVA的结晶度降低，形成了更多的非晶区域，从而促进了电荷传输。FTIR结果验证了PVA链、H?PO?和Cu纳米颗粒之间的分子间相互作用，而SEM分析揭示了形态演变和纳米颗粒的变化

利益冲突

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究。

作者贡献

A. Bakr：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、研究、数据分析、概念构建。

T.S. Soliman：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、研究、数据分析、概念构建。

M.G. El-Shaarawy：监督、数据分析、概念构建、方法论、撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿。

T.Y. Elrasasi：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿。

CRediT作者贡献声明

A. Bakr：撰写 – 原稿、数据分析。

T.S. Soliman：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据分析。

M.G. El-Shaarawy：监督。

T.Y. Elrasasi：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。