專利名稱：一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過人工控制晶體生長制備晶體的方法，具體地說是一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法。
背景技術(shù)：
BiVO4是一種光學(xué)帶隙為2. 3 — 2. 9 eV的半導(dǎo)體氧化物，具有鐵彈性、離子電導(dǎo)性、光致變色效應(yīng)等奇異的物理性質(zhì)。在顏料領(lǐng)域，BiVO4亦稱184黃，是近年開發(fā)的環(huán)境友好的黃色無機(jī)顏料，用來替代有毒的鉛鉻黃。在光催化領(lǐng)域，BiVO4是一種可見光響應(yīng)的光催化劑，在犧牲試劑存在的條件下，具有很高的分解水產(chǎn)氧活性。因此，BiVO4是一種重要的功能材料，具有廣泛的科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
BiVO4有四種晶相，其中正交相釩鉍礦僅存在于自然界，另外三種可以人工合成出來。在可人工合成的BiVO4中，單斜相BiVO4的化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定、光催化活性最高。目前，國內(nèi)外商業(yè)化的單斜相BiVO4都是納米/微米尺寸的多晶，沒有單晶(特別是大尺寸單晶)出售。根據(jù)文獻(xiàn)，僅有少數(shù)前期研究工作[A.W. Sleight et al. , Mat. Res. Bull. 14，1571 (1979);劉建成、陳家平、李德宇，物理學(xué)報(bào) 32,1053 (1983) ; L. Hoffart et al.,Ionics 2，34 (1996)]曾報(bào)道利用提拉法成功制備了單斜相BiVO4單晶。在這些研究中，制備BiVO4單晶需使用昂貴的鉬坩堝和鉬絲籽晶，成本高，并且易出現(xiàn)孿晶現(xiàn)象，單晶尺寸最大為Φ55Χ30 mm η

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備大尺寸、高質(zhì)量BiVO4單晶的方法，該方法不僅節(jié)省成本，而且制得的產(chǎn)品極少孿晶現(xiàn)象，產(chǎn)品尺寸可達(dá)到Φ 100X60 _。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法，包括以下步驟
(I)、將純度為99. 99%的Bi2O3和V2O5按I :1的摩爾比均勻混合，然后壓制成料塊。(2)、將步驟(I)壓制的料塊裝入剛玉杯中，然后放置到馬弗爐內(nèi)，在溫度為800 0C的條件下，恒溫?zé)Y(jié)10小時(shí)。(3)、將步驟(2)燒結(jié)后的原料裝入直徑150 mm、高80 mm、壁厚2. 2 mm的銥坩堝，然后放入單晶提拉爐中，在提拉爐內(nèi)沖入N2氣氛，并保留適量空氣，使?fàn)t中氧分壓為1%。(4)、以〈100〉方向的YVO4晶體作為籽晶。(5)、啟動(dòng)單晶提拉爐，控制銥坩堝底部溫度為960— 980 °C，生長晶體提拉速度為I mm/h,轉(zhuǎn)速為 8 rpm。(6)、晶體停止生長后，關(guān)閉單晶提拉爐，放置24小時(shí)，使生長的晶體冷卻至室溫。(7)、將生長的晶體取出，即獲得直徑100 mm以上，高度60 mm以上的BiVO4單晶。所述的YVO4晶體的生長方向?yàn)椤?00〉或〈111〉。本發(fā)明的有益效果是以YVO4晶體替代鉬絲作為籽晶，銥坩堝替代鉬坩堝，顯著降低了生產(chǎn)成本；以氧氣分壓約為1%的氮?dú)夥兆鳛樯L氣氛，控制生長溫度為960-980 °C，提高了晶體生長的穩(wěn)定性，增大了晶體生長尺寸。


圖I是陽極材料為BiVO4單晶切片的光電化學(xué)電池示意圖。圖中標(biāo)記111、陽極，112、陰極，121、質(zhì)子交換膜，131、外加偏壓，211、入射太陽光方向。
具體實(shí)施例方式一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法，包括以下步驟
(I )、以高純度的Bi2O3和V2O5為原料，兩種原料的純度均為99. 99%，按I : I的摩爾比稱 取Bi2O3和V2O5,并將兩種原料均勻混合，然后送入壓片機(jī)壓制成料塊，壓制力度以原料能夠結(jié)合成塊狀為準(zhǔn)。(2)、將步驟(I)壓制的料塊裝入剛玉杯中，然后放置到馬弗爐內(nèi)，在溫度為800 0C的條件下，恒溫?zé)Y(jié)10小時(shí)。(3)、將步驟(2)燒結(jié)后的原料裝入直徑150 mm、高80 mm、壁厚2. 2 mm的銥坩堝，
然后放入單晶提拉爐中，在提拉爐內(nèi)沖入N2氣體，并保留適量空氣，使?fàn)t中氧分壓為1%，形成氧分壓為1%的N2氣氣氛。(4)、以事先設(shè)置在單晶提拉爐內(nèi)的〈100〉方向的YVO4晶體作為籽晶。(5)、啟動(dòng)單晶提拉爐，控制銥坩堝底部溫度為960— 980 °C，生長晶體提拉速度為I mm/h,轉(zhuǎn)速為 8 rpm。(6)、晶體停止生長后，關(guān)閉單晶提拉爐，放置24小時(shí)，使生長的晶體冷卻至室溫。(7)、將生長的晶體取出，即獲得直徑100 mm以上，高度60 mm以上的BiVO4單晶，其顏色棕黃色、透明。通過實(shí)驗(yàn)證明，選用生長方向?yàn)椤?00〉或〈111〉的YVO4晶體作為籽晶，能夠進(jìn)一步提聞晶體生長的穩(wěn)定性，生長得到的BiVO4單晶質(zhì)量聞，極少李晶現(xiàn)象。上述方法中，除限定的參數(shù)外，單晶提拉爐的操作按晶體生長的常規(guī)操作進(jìn)行。為證明本發(fā)明制得的BiVO4單晶的實(shí)用性，參見圖I所示，將制得的BiVO4單晶制成光電化學(xué)電池。制作步驟如下(I)、將所得的BiVO4單晶切片，制成尺寸為50mm X 50mm X Imm晶片，所切晶片為〈100〉、〈001>等方向的晶片；(2 )、將所切BiVO4晶片作為光電化學(xué)電池的陽極111，Pt片作為光電化學(xué)電池的陰極112 ; (3)、將陽極111和陰極112通過外加偏壓131連接；(4)、將陽極111和陰極112置于純水或碳酸氫鈉溶液中；(4)、用質(zhì)子交換膜121將陽極111和陰極112兩側(cè)的溶液分隔開；太陽光照射在陽極111 一側(cè)或兩側(cè)。在O. 5 V的正向偏壓和太陽光照射下，利用該光電化學(xué)電池分解純水，可以清晰地看到陽極111上產(chǎn)生O2氣泡，同時(shí)在陰極112上產(chǎn)生H2氣泡。若利用該裝置光還原二氧化碳(碳酸氫鈉溶液)，則可觀測到陽極111上產(chǎn)生O2氣泡，陰極112基本沒有氣泡產(chǎn)生；通過色譜分析，陰極112側(cè)溶液出現(xiàn)甲醇等有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，在相同外部條件下(偏壓、光照、陽極面積等)，BiVO4單晶陽極要比BiVO4粉末陽極具有更高的產(chǎn)O2活性，說明利用本發(fā)明制備的BiVO4單晶適用于太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值 。
權(quán)利要求
1.一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)、將純度為99.99%的Bi2O3和V2O5按I :1的摩爾比均勻混合，然后壓制成料塊； (2)、將步驟(I)壓制的料塊裝入剛玉杯中，然后放置到馬弗爐內(nèi)，在溫度為800°C的條件下，恒溫?zé)Y(jié)10小時(shí)； (3)、將步驟(2)燒結(jié)后的原料裝入直徑150mm、高80mm、壁厚2.2mm的銥坩堝，然后放入單晶提拉爐中，在提拉爐內(nèi)沖入N2氣氛，并保留適量空氣，使?fàn)t中氧分壓為1%; (4)、以<100>方向的YVO4晶體作為籽晶； (5)、啟動(dòng)單晶提拉爐，控制銥坩堝底部溫度為960—980 °C，生長晶體提拉速度為I_/h,轉(zhuǎn)速為8 rpm ； (6)、晶體停止生長后，關(guān)閉單晶提拉爐，放置24小時(shí)，使生長的晶體冷卻至室溫；(7)、將生長的晶體取出，即獲得直徑100mm以上，高度60 mm以上的BiVO4單晶。
2.如權(quán)利要求I所述的一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法，其特征在于所述的YVO4晶體的生長方向?yàn)椤?00〉或〈111〉。
全文摘要
一種大尺寸釩酸鉍單晶的制備方法，將Bi2O3和V2O5按11的摩爾比混合壓制成料塊后裝入剛玉杯中，在溫度800oC下燒結(jié)10小時(shí)；燒結(jié)后裝入直徑150mm、高80mm、壁厚2.2mm的銥坩堝，然后放入單晶提拉爐，提拉爐內(nèi)沖入N2氣氛，使?fàn)t中氧分壓為1%；以方向的YVO4晶體作為籽晶，控制銥坩堝底部溫度為960—980oC，生長晶體提拉速度為1mm/h，轉(zhuǎn)速為8rpm；晶體停止生長后，放置24小時(shí)，取出，即獲得BiVO4單晶。以銥坩堝替代鉑坩堝，顯著降低了成本；以YVO4晶體替代鉑絲作為籽晶，以氧氣分壓為1%的氮?dú)夥兆鳛樯L氣氛，提高了晶體生長的穩(wěn)定性，增大了晶體尺寸。
文檔編號(hào)C30B15/00GK102677172SQ20121018894
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者李國嶺, 李立本, 王丹丹, 陳慶東, 陳志紅, 黃東 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)