[发明专利]一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法

说明书

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单晶需使用昂贵的铂坩埚和铂丝籽晶，成本高，并且易出现孪晶现象，单晶尺寸最大为φ55×30 mm。

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φ100×60 mm。

    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：

（1）、将纯度为99.99%的Bi₂O₃和V₂O₅按1：1的摩尔比均匀混合，然后压制成料块。

（2）、将步骤（1）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 ^oC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 ^oC，生长晶体提拉速度为1 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晶体替代铂丝作为籽晶，铱坩埚替代铂坩埚，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 ^oC，提高了晶体生长的稳定性，增大了晶体生长尺寸。

附图说明

    图1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。

具体实施方式

    一种大尺寸钒酸铋单晶的制备方法，包括以下步骤：