专利名称：一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种通过人工控制晶体生长制备晶体的方法，具体地说是一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法。
背景技术：
BiVO4是一种光学带隙为2. 3 — 2. 9 eV的半导体氧化物，具有铁弹性、离子电导性、光致变色效应等奇异的物理性质。在颜料领域，BiVO4亦称184黄，是近年开发的环境友好的黄色无机颜料，用来替代有毒的铅铬黄。在光催化领域，BiVO4是一种可见光响应的光催化剂，在牺牲试剂存在的条件下，具有很高的分解水产氧活性。因此，BiVO4是一种重要的功能材料，具有广泛的科学研究和工业应用价值。
BiVO4有四种晶相，其中正交相钒铋矿仅存在于自然界，另外三种可以人工合成出来。在可人工合成的BiVO4中，单斜相BiVO4的化学性质最稳定、光催化活性最高。目前，国内外商业化的单斜相BiVO4都是纳米/微米尺寸的多晶，没有单晶(特别是大尺寸单晶)出售。根据文献，仅有少数前期研究工作[A.W. Sleight et al. , Mat. Res. Bull. 14，1571 (1979);刘建成、陈家平、李德宇，物理学报 32,1053 (1983) ; L. Hoffart et al.,Ionics 2，34 (1996)]曾报道利用提拉法成功制备了单斜相BiVO4单晶。在这些研究中，制备BiVO4单晶需使用昂贵的钼坩埚和钼丝籽晶，成本高，并且易出现孪晶现象，单晶尺寸最大为Φ55Χ30 mm η
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备大尺寸、高质量BiVO4单晶的方法，该方法不仅节省成本，而且制得的产品极少孪晶现象，产品尺寸可达到Φ 100X60 _。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，包括以下步骤
(I)、将纯度为99. 99%的Bi2O3和V2O5按I :1的摩尔比均匀混合，然后压制成料块。(2)、将步骤(I)压制的料块装入刚玉杯中，然后放置到马弗炉内，在温度为800 0C的条件下，恒温烧结10小时。(3)、将步骤(2)烧结后的原料装入直径150 mm、高80 mm、壁厚2. 2 mm的铱坩埚，然后放入单晶提拉炉中，在提拉炉内冲入N2气氛，并保留适量空气，使炉中氧分压为1%。(4)、以〈100〉方向的YVO4晶体作为籽晶。(5)、启动单晶提拉炉，控制铱坩埚底部温度为960— 980 °C，生长晶体提拉速度为I mm/h,转速为 8 rpm。(6)、晶体停止生长后，关闭单晶提拉炉，放置24小时，使生长的晶体冷却至室温。(7)、将生长的晶体取出，即获得直径100 mm以上，高度60 mm以上的BiVO4单晶。所述的YVO4晶体的生长方向为〈100〉或〈111〉。本发明的有益效果是以YVO4晶体替代钼丝作为籽晶，铱坩埚替代钼坩埚，显著降低了生产成本；以氧气分压约为1%的氮气氛作为生长气氛，控制生长温度为960-980 °C，提高了晶体生长的稳定性，增大了晶体生长尺寸。
图I是阳极材料为BiVO4单晶切片的光电化学电池示意图。图中标记111、阳极，112、阴极，121、质子交换膜，131、外加偏压，211、入射太阳光方向。
具体实施例方式一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，包括以下步骤
(I )、以高纯度的Bi2O3和V2O5为原料，两种原料的纯度均为99. 99%，按I : I的摩尔比称 取Bi2O3和V2O5,并将两种原料均匀混合，然后送入压片机压制成料块，压制力度以原料能够结合成块状为准。(2)、将步骤(I)压制的料块装入刚玉杯中，然后放置到马弗炉内，在温度为800 0C的条件下，恒温烧结10小时。(3)、将步骤(2)烧结后的原料装入直径150 mm、高80 mm、壁厚2. 2 mm的铱坩埚，
然后放入单晶提拉炉中，在提拉炉内冲入N2气体，并保留适量空气，使炉中氧分压为1%，形成氧分压为1%的N2气气氛。(4)、以事先设置在单晶提拉炉内的〈100〉方向的YVO4晶体作为籽晶。(5)、启动单晶提拉炉，控制铱坩埚底部温度为960— 980 °C，生长晶体提拉速度为I mm/h,转速为 8 rpm。(6)、晶体停止生长后，关闭单晶提拉炉，放置24小时，使生长的晶体冷却至室温。(7)、将生长的晶体取出，即获得直径100 mm以上，高度60 mm以上的BiVO4单晶，其颜色棕黄色、透明。通过实验证明，选用生长方向为〈100〉或〈111〉的YVO4晶体作为籽晶，能够进一步提闻晶体生长的稳定性，生长得到的BiVO4单晶质量闻，极少李晶现象。上述方法中，除限定的参数外，单晶提拉炉的操作按晶体生长的常规操作进行。为证明本发明制得的BiVO4单晶的实用性，参见图I所示，将制得的BiVO4单晶制成光电化学电池。制作步骤如下(I)、将所得的BiVO4单晶切片，制成尺寸为50mm X 50mm X Imm晶片，所切晶片为〈100〉、〈001>等方向的晶片；(2 )、将所切BiVO4晶片作为光电化学电池的阳极111，Pt片作为光电化学电池的阴极112 ; (3)、将阳极111和阴极112通过外加偏压131连接；(4)、将阳极111和阴极112置于纯水或碳酸氢钠溶液中；(4)、用质子交换膜121将阳极111和阴极112两侧的溶液分隔开；太阳光照射在阳极111 一侧或两侧。在O. 5 V的正向偏压和太阳光照射下，利用该光电化学电池分解纯水，可以清晰地看到阳极111上产生O2气泡，同时在阴极112上产生H2气泡。若利用该装置光还原二氧化碳(碳酸氢钠溶液)，则可观测到阳极111上产生O2气泡，阴极112基本没有气泡产生；通过色谱分析，阴极112侧溶液出现甲醇等有机物。实验还证实，在相同外部条件下(偏压、光照、阳极面积等)，BiVO4单晶阳极要比BiVO4粉末阳极具有更高的产O2活性，说明利用本发明制备的BiVO4单晶适用于太阳能光化学转化技术，具有潜在的应用价值 。
权利要求
1.一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将纯度为99.99%的Bi2O3和V2O5按I :1的摩尔比均匀混合，然后压制成料块； (2)、将步骤(I)压制的料块装入刚玉杯中，然后放置到马弗炉内，在温度为800°C的条件下，恒温烧结10小时； (3)、将步骤(2)烧结后的原料装入直径150mm、高80mm、壁厚2.2mm的铱坩埚，然后放入单晶提拉炉中，在提拉炉内冲入N2气氛，并保留适量空气，使炉中氧分压为1%; (4)、以<100>方向的YVO4晶体作为籽晶； (5)、启动单晶提拉炉，控制铱坩埚底部温度为960—980 °C，生长晶体提拉速度为I_/h,转速为8 rpm ； (6)、晶体停止生长后，关闭单晶提拉炉，放置24小时，使生长的晶体冷却至室温；(7)、将生长的晶体取出，即获得直径100mm以上，高度60 mm以上的BiVO4单晶。
2.如权利要求I所述的一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，其特征在于所述的YVO4晶体的生长方向为〈100〉或〈111〉。
全文摘要
一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，将Bi2O3和V2O5按11的摩尔比混合压制成料块后装入刚玉杯中，在温度800oC下烧结10小时；烧结后装入直径150mm、高80mm、壁厚2.2mm的铱坩埚，然后放入单晶提拉炉，提拉炉内冲入N2气氛，使炉中氧分压为1%；以方向的YVO4晶体作为籽晶，控制铱坩埚底部温度为960—980oC，生长晶体提拉速度为1mm/h，转速为8rpm；晶体停止生长后，放置24小时，取出，即获得BiVO4单晶。以铱坩埚替代铂坩埚，显著降低了成本；以YVO4晶体替代铂丝作为籽晶，以氧气分压为1%的氮气氛作为生长气氛，提高了晶体生长的稳定性，增大了晶体尺寸。
文档编号C30B15/00GK102677172SQ20121018894
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者李国岭, 李立本, 王丹丹, 陈庆东, 陈志红, 黄东 申请人:河南科技大学