氧化铜的应用和制备方法

【背景及概述】^[1][2]

铜是我国的重要有色金属资源，因其在机械性能、导电以及导热方面优势的存在，使其在不同领域以及行业当中得到了有效的应用。在我国经济快速发展的过程中，对于铜的需求量不断增加，对此，即需要能够在原有的基础上加大研发力度，在提升综合效率的基础上满足行业需求氧化铜化学式CuO，黑色粉末，熔点为1326℃，相对密度为6.3～6.49。不溶于水、乙醇，溶于稀酸、氰化钾溶液和碳酸铵溶液，在氨水中缓慢溶解。微显两性，较难溶于碱，对热的稳定性较高，加热到1000℃以上才开始分解为氧化亚铜和氧气。在加热的条件下氧化铜有一定的氧化能力，能把碳氧化成二氧化碳，也易被还原剂，如碳、一氧化碳、氢等，还原为金属铜。氧化铜可用做玻璃和瓷器的着色剂 (绿色或蓝色)、有机合成的催化剂、油类的脱硫剂，也用来制取人造丝和用于气体分析等。作为氧化剂，在有机分析中常用以测定化合物中的含碳量。铜在加热时与氧气化合，生成氧化铜；将硝酸铜加热，或氢氧化铜、碱式碳酸铜受热时都可分解出氧化铜。我国氧化铜质量相对较低，其原因同较为严重的泥化情况以及较高的氧化率具有着密切的关系。且在矿石上，氧化铜所具有的分布情况存在较为不均衡的特点，即属于相对难选的铜矿石类型。就目前来说，我国在氧化铜加工方面还以浮选法为主进行加工，其原因，即是该方式在环保性具有较好的表现，在成本方面花费较低。目前，已经有研究在将选矿技术为基础的情况下积极开展了研发，发现通过萃取、浸出以及电积方式处理铜矿石时，能够有效实现铜矿产出率的提升。在现今科学技术不断发展的情况下，选矿技术在此过程中也获得了有效的提升，细菌浸出技术具有了更高的关注度以及更广的应用范围。同其余技术相比，该技术在成本方面具有较高的优势，且在处理效果方面具有较好的表现，具有较好的应用价值。

【应用】^[3]　[4]

氧化铜作为一种重要具有带隙较窄带隙(1.2—1.5eV)的p-型半导体材料由于其独特的性能，如良好的热稳定性及光化学稳定性、高温超导性、高电化学活性、无毒、廉价的制备方法，已被广泛应用于催化剂、超导材料、热电材料、传感材料、玻璃、陶瓷、锂离子电池等领域。目前，由于不同 形貌纳米材料拥有更优异的光、电、磁、热性能，纳米材料的可控制备已成为目前材料研究者的一个目标。如氧化铜作为 最常见的过渡金属氧化物，由于其理论比容量较高 (674mAh·g-1)、制备简单、成本较低等 优点，已逐渐应用于锂离子电池中，为了提高CuO作为电池负极材料时电极的导电性，限制碳类活性物质在电池充放 电过程中的体积的变化，从而提高电池的可逆容量、循环寿命、充放电稳定性等电化学性 能，有研究提供了一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极，芯部为碳纤维，外壳为氧化铜 薄层；所述的氧化铜薄层具有阵列型的纳米针状结构和纳米孔状结构；所述纳米针状结构 在氧化铜薄层的外表面，所述纳米孔状结构为贯通氧化铜薄层的孔。所述的一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极的制备方法，包括镀铜 碳纤维的制备、镀铜碳纤维的烧结成型和成型镀铜碳纤维毡的表面氧化处理。改复合电极中，氧化铜薄层的纳米孔状结 构有利于电解液中的锂离子轻易通过，进而在碳芯中发生嵌锂和脱锂过程，从而增加锂离 子电池的充放电容量；碳芯部分与氧化铜外壳紧密 接触，既提高了电极的导电性，又缓冲了氧化铜转化过程中的体积变化程度；氧化铜外壳紧密地包裹着碳 芯部分，且氧化铜外壳的纳米针状结构极大地缩短了锂离子的扩散距离和增加了与锂离子 之间的有效接触面积，限制了锂离子电池充放电嵌锂和脱锂过程中碳纤维体积的膨胀，从 而有利于提高锂离子电池的可逆容量和循环寿命。

【制备】^[5]

一种由氧化铜矿直接制取氧化铜的方法，以充分有效地利用国家氧化铜矿资源。本发明的内容和实施方法，包括酸溶浸铜，逆流水洗。溶液净化沉淀氢氧化铜，氢氧化铜脱水纯制氧化铜，四个步骤，分述如下：

1、酸溶浸铜：以10%-15%的硫酸水溶液为溶剂于80-90℃的温度下对粒度为60-80目的氧化铜矿进行浸出，硫酸水溶液∶铜矿＝2∶1，其中铜矿粉∶硫酸（98%）＝1∶0.14，浸出时间1.5-2小时，并在每分钟以50-70转的转速不断搅拌下进行，经酸溶矿中的铜、铁、大部分以离子形式存在溶液中，大部分不溶物存在于 渣中而被分离，主要化学反应为：

2、逆流水洗：对酸溶浸铜后的渣逆流水洗，此步骤在最开始批渣出来时，将其放入个清洗池内，用清水进行次水洗，沉清后，把水洗液并入酸溶铜沉清液中，渣又放入第二个清洗池内；用清水进行第二次水洗。沉清后，水洗液放入个清洗池内（用来进行下一批渣的次水洗），渣又放入第三个清洗池内；用清水进行第三次水洗，沉清后，水洗液放入第二个清洗池内（用来进行下一批渣的第二次水洗），渣又放入第四个清洗池内；用清水进行第四次水洗，沉清后水洗液放入第三个清洗池内（用来进行下一批渣的第三次水洗），渣经过四次水洗后废弃不要。前面所述是最开始批渣的水洗。均用清水进行水洗，以后出来地渣的水洗过程即用清水在第四个清洗池内进行渣的第四次洗涤（此批渣前边已洗过三次）；沉清后，此批渣废弃，然后把水洗液放入第三个清洗池内洗第三次渣（此批渣前边已洗过二次）；沉清后，把洗液放入第二个清洗池内洗第二次渣（此批渣前边已洗过一次）；沉清后，把洗液放入个清洗池内洗次渣（此批渣前边还未洗过）；沉清后，水洗液并入酸溶浸铜的沉清液中，渣放入下一个清洗池内进行第二次洗涤。以此类推，这样每批渣洗涤四次，每次洗渣时搅拌15-20分钟，分级沉清。通过洗涤，残留在渣中的硫酸铜越来越 少，而洗液中的硫酸铜含量越来越高，从而充分将硫酸铜溶液与渣分离除杂。

3、溶液净化沉淀氢氧化铜：在硫酸铜溶液中按硫酸铜∶氧化铜∶双氧水＝1∶0.01∶0.005的比例加入氧化铜粉及H2O2，溶液的PH为3.5-4.2，煮沸溶液，沉清过滤，然后不断搅拌清液并在其中逐步加入8-12%氢氧化钠溶液，使溶液中的硫酸铜转化为氢氧化铜沉淀，其主要反应为：加入碱液（NaOH）的量控制到溶液PH＝10-11为主。

4、氢氧化铜脱水纯制氧化铜：把生成的氢氧化铜与溶液在80-90℃加热20-30分钟，黑褐色的氧化铜即沉出，其主要反应为：

用倾析法水洗涤氧化铜沉淀，洗到洗液中不含SO-4及OH-为止，在300℃-500℃条件下烘干2-4小时，磨到100目。

本发明与现有技术相比，主要优点是铜的回收率高，总收率达81-86%；能有效的充分利用低品位的难选氧化铜矿，提高这部分矿的使用价值；不需要经过冶炼为铜或制成硫酸铜，再由铜或硫酸铜制取氧化铜，而由氧化铜矿直接制取氧化铜；铜矿酸溶后的渣经水洗所得沙可用于建筑方面，而无三废、无污染，原料得到充分利用。工艺流程如下：

【主要参考资料】

[1] 中国中学教学百科全书·化学卷

[2] 王旭平, 朱尧尧. 氧化铜矿石选矿技术研究进展[J]. 世界有色金属, 2017 (24): 88-88.

[3] 罗建民；杨中；陈俊宇；方智三；宋良辉；战国利；陈国通；曹雪琴；徐熠；邵家丽；王爱霞.可调控形貌纳米氧化铜及其制备方法和该纳米氧化铜的用途CN201610083055.2 ，申请日2016-02-04 

[4] 袁伟；罗健；潘保有；邱志强；黄诗敏；闫志国；谭振豪；汤勇.一种用于锂离子电池的碳芯/氧化铜外壳复合电极及其制备方法 . CN201710037810.8 ，申请日2017-01-19

[5]沈正华.一种氧化铜矿湿法制取氧化铜的方法. CN92112501.1 ，申请日 1992-10-22