CN114959894B - 一种多孔卤氧化镧单晶材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种卤氧化镧多孔单晶材料及其制备方法和应用,本申请通过氧化方式将大尺寸卤化镧单晶转化为多孔卤氧化物单晶,所述卤氧化镧多孔单晶材料中含有10nm~1000nm的孔,开发出大尺寸卤氧化物多孔单晶材料,其在光催化,低碳烷烃氧化偶联中都有潜在的应用。此外,该晶体材料的方法操作简单、重复性好。
Description
技术领域
本申请涉及一种多孔卤氧化镧单晶材料及其制备方法和应用,属于无机材料领域。
背景技术
近年来,卤氧化物相关材料由于其独特的层状结构和纳米尺寸效果所具有独特的物理化学性质和广阔的应用前景而引起广泛关注。在其中,卤氧化镧因为其具有较小的漏电流,良好的卤离子传导能力、优良的催化性能从而在半导体领域、发光、阴极荧光管呈像及医疗领域具备较大的应用潜力。
目前,对于卤氧化镧材料催化性能的研究主要集中在纳米尺度,主要材料制备方法为溶胶凝胶法或静电纺丝法,对于大尺寸卤氧化镧材料的研究内容较少,对于有利于进行催化机理研究的卤氧化镧单晶材料的研究内容更少。同时,具有高孔隙率及较大比表面积的多孔材料在催化方向上表现出优异的性能。但纳米多孔材料的制备方法较为复杂,不利于进一步推广应用。故而研究一种大尺寸纳米多孔单晶材料是有必要的。
因此,有必要提供一种制备大尺寸纳米多孔卤氧化物单晶材料的方法,来为相关研究提供优质的大尺寸101面、104面和200面的纳米多孔卤氧化物单晶材料。
发明内容
根据本申请的一个方面,提供了一种多孔卤氧化镧单晶材料,该材料具有多孔结构,具有大尺寸。
本申请提供一种制备大尺寸(101)面、(104)面、(200)面的纳米多孔卤氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔卤氧化镧晶体的方法,它涉及一种制备大尺寸纳米多孔单晶晶体的方法,尤其是氧化生长制备大尺寸纳米多孔卤氧化镧单晶晶体的方法。本发明制备大尺寸(101)面、(104)面、(200)面的纳米多孔卤氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔卤氧化镧晶体的方法简单、可规模化生产。
一种卤氧化镧多孔单晶材料,所述卤氧化镧多孔单晶材料为氟氧化镧、氯氧化镧或溴氧化镧单晶材料;
所述卤氧化镧多孔单晶材料包含从单晶材料表面延伸至单晶材料内部的孔道;
所述孔道在所述单晶材料内部相互交联,形成不规则的三维孔道结构;
所述孔道的孔径为10nm~1000nm。
可选的,所述多孔卤氧化镧单晶材料为多孔单晶薄膜或多孔单晶晶体;
可选的,所述孔道的出口在所述单晶材料表面呈带状分布。
可选的,所述多孔卤氧化物单晶薄膜的表面为多孔卤氧化镧单晶的(101)面、(104)面、(200)面中的至少一面。
可选的,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的尺寸为0.1cm~30cm;
可选的,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的尺寸为1cm~5cm。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶材料中含有10nm~500nm的孔。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶材料为多孔卤氧化镧单晶薄膜和/或多孔卤氧化镧单晶晶体。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶晶体为自支撑纳米多孔卤氧化镧晶体。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶薄膜的表面为多孔卤氧化镧单晶的(101)面、(104)面、(200)面中的至少一面。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶材料是多孔卤氧化镧单晶晶体时,晶体的最大表面为多孔卤氧化镧单晶的(101)面、(104)面、(200)面中的至少一面。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的最大表面中一维的尺寸为0.1cm~30cm。
可选地,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的最大表面中一维的尺寸为1cm~5cm。
所述多孔卤氧化镧单晶薄膜的厚度为10nm~100μm。
本申请的另一方面,提供了上述任一项所述的多孔卤氧化镧单晶材料的制备方法,本申请的目的一方面是要解决现有制备纳米多孔晶体材料的方法复杂且仅限微米量级的晶体制备尺度,不利于规模化生产和应用的问题;另一方面是要为卤氧化物基器件提供质优价廉的同质大尺寸(101)面、(104)面、(200)面的纳米多孔卤氧化镧单晶衬底,从而大幅提升卤氧化物基器件性能。
所述制备方法包括:将前驱体单晶在含氧氛围中反应,得到所述多孔卤氧化镧单晶材料;
其中,所述前驱体单晶选自氟化镧单晶材料、溴化镧单晶材料、氯化镧单晶材料;
所述多孔卤氧化镧单晶材料的尺寸与所述前驱体单晶的尺寸。
可选地,所述反应的温度为473K~1673K;
可选地,所述反应的压力为0.1Torr~800Torr;
可选地,所述反应的时间为1min~100h;
可选地,所述反应的温度为573K~1273K。
可选地,所述的含氧氛围为中包含的氧气来自原料气,或者是来自反应器中的空气;
可选地,所述原料气中包含氧气或氨气中的至少一种;
可选地,所述原料气中包括氧气、氮气、氩气、氨气;其中,氧气的流量记为a,氮气的流量记为b,氩气的流量记为c,氨气的流量记为d,满足:
0SLM≤a≤100SLM;
0SLM≤b≤100SLM;
0SLM≤c≤100SLM;
0SLM≤d≤100SLM;
其中a+d>0。
可选地,所述方法至少包括:将前驱体单晶置于含氧氛围中反应,前驱体单晶表面生长出多孔卤氧化镧单晶薄膜;
可选地,将前驱体单晶置于含氧氛围中反应1min~20h。
可选地,所述方法至少包括:将前驱体单晶置于含氧氛围中反应,前驱体单晶从外至内逐渐氧化,直至完全转化为自支撑的多孔卤氧化镧单晶晶体;
可选地,将前驱体单晶置于含氧氛围中反应1h~100h。
可选地,所述氟化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(1000)面、(0100)面、(0010)面、(0001)面、(1110)面、(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述氯化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述溴化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。
可选地,所述氟化镧单晶薄膜与含有氧气或氨气的原料气接触的表面为(1000)面、(0100)面、(0010)面、(0001)面、(1110)面、(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述氯化镧单晶薄膜与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述溴化镧单晶薄膜与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。
可选地,所述氟化镧单晶晶体与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(1000)面、(0100)面、(0010)面、(0001)面、(1110)面、(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述氯化镧单晶晶体与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。所述溴化镧单晶晶体与含有氧气或氨气的原料气接触的晶面为(100)面、(010)面、(001)面、(110)面中的至少一面。
可选地,所述反应的温度为473K~673K。
可选地,所述反应的温度为673K~973K。
可选地,所述反应的温度为973K~1273K。
可选地,所述反应的压力为0.1Torr~100Torr;
可选地,所述反应的压力为10Torr~700Torr。
可选地,所述反应的时间为30min~20h。
可选地,所述反应的时间为30min~100h。
可选地,所述反应的温度上限选自1273K、1253K、1173K、1153K、1073K、1053K或973K;下限选自473K、523K、553K、573K、623K或673K。
可选地,所述反应的时间上限选自2min、10min、20min、50min、1h、10h、20h、50h、100h、200h、300h、400h、或500h;下限选自1min、10min、20min、50min、1h、10h、20h、50h、100h、200h、300h、400h或500h。
可选地,所述反应的压力上限选自0.2Torr、0.5Torr、1Torr、10Torr、50Torr、100Torr、200Torr、300Torr、400Torr、500Torr、600Torr或700Torr;下限选自0.1Torr、0.2Torr、0.5Torr、10Torr、20Torr、50Torr、100Torr、200Torr、300Torr、400Torr、500Torr、600Torr或700Torr。可选地,当多孔卤氧化镧单晶材料为多孔卤氧化镧单晶薄膜时,所述氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触反应的时间范围为1min~20h。
可选地,当多孔卤氧化镧单晶材料为多孔卤氧化镧单晶薄膜时,所述氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触反应的时间范围下限选自10min、20min、30min、1h、2h、3h、4h、5h、10h、15h或18h;上限选自20min、30min、1h、2h、3h、4h、5h、10h、15h、18h或20h。
当制备的多孔卤氧化镧单晶材料为多孔卤氧化镧单晶晶体时,接触反应时间应满足使氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料全部转化为多孔卤氧化镧单晶材料。
可选地,当多孔卤氧化镧单晶材料为多孔卤氧化镧单晶晶体时,所述氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触反应的时间为1h~100h。
本领域技术人员可根据实际需要和所采用的氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料的尺寸,确定合适的接触反应时间。
可选地,当多孔卤氧化物单晶材料为多孔卤氧化物单晶晶体时,所述卤氧化物单晶材料与含有氧气或氨气的原料气接触反应的时间范围上限选自1h、2h、5h、10h、20h、40h、80h或100h;下限选自1h、2h、5h、10h、20h、40h、80h或100h。
采用本申请所提供的方法,所得到的多孔卤氧化物单晶晶体的晶体尺寸与所采用的氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料的尺寸相等。本领域技术人员可以根据实际需要,通过选择合适尺寸的氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧材料,得到所需要的多孔卤氧化物单晶晶体。
可选地,所述含有氧气或氨气、氩气和氨气中的至少一种;
其中,氧气的流量记为a,氮气的流量记为b,氩气的流量记为c,氨气的流量记为d,满足:
0SLM≤a≤100SLM;
0SLM≤b≤100SLM;
0SLM≤c≤100SLM;
0SLM≤d≤100SLM。
可选地,所述含有氧气或氨气的原料气中包括氮气、氩气和氨气中的至少一种;
其中,氧气的流量记为a,氮气的流量记为b,氩气的流量记为c,氨气的流量记为d,满足:
0SLM≤a≤10SLM;
0SLM≤b≤1SLM;
0SLM≤c≤10SLM;
0SLM≤d≤1SLM。
可选地,所述氧气的流量范围上限选自0.1SLM、0.5SLM、1SLM、1.5SLM 2SLM、3SLM、4SLM、5SLM、6SLM、7SLM、8SLM、9SLM、10SLM、20SLM、30SLM、40SLM、50SLM、60SLM、70SLM、80SLM、90SLM或100SLM;下限选自0.00002SLM、0.1SLM、0.5SLM、1SLM、1.5SLM 2SLM、3SLM、4SLM、5SLM、6SLM、7SLM、8SLM、9SLM、10SLM、20SLM、30SLM、40SLM、50SLM、60SLM、70SLM、80SLM或90SLM。
可选地,所述氮气的流量范围上限选自0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM、80SLM或100SLM;下限选自0SLM、0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM或80SLM。
可选地,所述氩气的流量范围上限选自0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM、80SLM或100SLM;下限选自0SLM、0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM或80SLM。
可选地,所述氨气的流量范围上限选自0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM、80SLM或100SLM;下限选自0SLM、0.01SLM、0.1SLM、0.2SLM、0.5SLM、0.8SLM、1SLM、2SLM、5SLM、10SLM、20SLM、50SLM或80SLM。
可选地,所述方法至少包括:将氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶中的至少一种在含氧氛围中反应,氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶材料表面氧化生长,得到多孔卤氧化镧单晶薄膜。
可选地,所述方法至少包括:将氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶中的至少一种在含氧氛围中反应,氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶表面氧化转化生长,得到多孔卤氧化镧单晶晶体。
作为一种实施方式,所述制备纳米多孔卤氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔卤氧化镧单晶晶体的方法,包括以下步骤:
步骤一、采用氟化镧单晶片/氯化镧单晶片/溴化镧单晶片为衬底;
步骤二、将氟化镧单晶片/氯化镧单晶片/溴化镧单晶片衬底置于气相外延生长反应室中,在高温含氧或含氨氛围中衬底表面转化生长出纳米多孔卤氧化镧单晶薄膜;
步骤三、随着转化时间的增加,进一步进行转化生长,将氟化镧单晶片/氯化镧单晶片/溴化镧单晶片衬底完全转化生长成自支撑纳米多孔卤氧化镧单晶晶体。
可选地,所述步骤一中的氟化镧单晶衬底为(0001)面,氟化镧(001)面晶体,氯化镧单晶衬底为(001)面,氯化镧(100)晶体面,溴化镧单晶衬底为(001)面,溴化镧(100)面晶体中的一种。
可选地,所述步骤一中的氟化镧单晶片/氯化镧单晶片/溴化镧单晶片衬底的尺度范围:0.1cm~30cm。
可选地,所述步骤二中高温转化生长温度范围:573K~1273K。
可选地,所述步骤二中含氧或含氨氛围采用a流量的氧气+b流量的氮气+c流量的氩气+d流量的氨气气流,其中0SLM≤a≤100SLM、0SLM≤b≤100SLM、0SLM≤c≤100SLM、0SLM≤d≤100SLM。
可选地,所述步骤二中转化时间范围:1分钟~100小时。
可选地,所述步骤二中转化氛围压力范围:0.1Torr~800Torr。
作为一种具体的实施方法,所述制备纳米多孔氟氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔氟氧化镧单晶晶体的方法,其制备方法包括以下步骤:
(a1)、采用氟化镧单晶片为衬底;
(b1)、将氟化镧单晶衬底置于气相外延生长反应室中,在高温含氧或含氨氛围中衬底表面转化生长出纳米多孔氟氧化镧单晶薄膜;
(c1)、随着氧化时间的增加,进一步进行转化生长,将氟化镧单晶衬底完全转化生长成自支撑纳米多孔氟氧化镧单晶晶体。
所述(a1)中的氟化镧单晶衬底为(001)面氟化镧。
所述(a1)中的氟化镧单晶衬底的尺度范围:1cm~5cm。
所述(b1)中高温转化生长温度范围:873K~1273K。
所述(b1)中所述含氧或含氨氛围采用a流量的氧气+b流量的氮气+c流量的氩气+d流量的氨气气流,其中0SLM≤a≤10SLM、0SLM≤b≤1SLM、0.1SLM≤c≤1SLM、0SLM≤d≤1SLM。
所述(b1)中所述转化时间范围:30分钟~100小时。
所述(b1)中所述转化氛围压力范围:10Torr~800Torr。
所述(c1)中纳米多孔氟氧化镧单晶晶体为大尺寸(101)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体。
作为一种具体的实施方法,所述制备纳米多孔氯氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔氯氧化镧单晶晶体的方法,其制备方法包括以下步骤:
(a1)、采用氯化镧单晶片为衬底;
(b1)、将氯化镧单晶衬底置于气相外延生长反应室中,在高温含氧或含氨氛围中衬底表面转化生长出纳米多孔氯氧化镧单晶薄膜;
(c1)、随着氧化时间的增加,进一步进行转化生长,将氯化镧单晶衬底完全转化生长成自支撑纳米多孔氯氧化镧单晶晶体。
所述(a1)中的氯化镧单晶衬底为(001)面氯化镧。
所述(a1)中的氯化镧单晶衬底的尺度范围:1cm~5cm。
所述(b1)中高温转化生长温度范围:573K~973K。
所述(b1)中所述含氧或含氨氛围采用a流量的氧气+b流量的氮气+c流量的氩气+d流量的氨气气流,其中0SLM≤a≤10SLM、0SLM≤b≤1SLM、0.1SLM≤c≤1SLM、0SLM≤d≤1SLM。
所述(b1)中所述转化时间范围:30分钟~100小时。
所述(b1)中所述转化氛围压力范围:5Torr~700Torr。
所述(c1)中纳米多孔氯氧化镧单晶晶体为大尺寸(104)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体。
作为一种具体的实施方法,所述制备纳米多孔溴氧化镧单晶薄膜及自支撑纳米多孔溴氧化镧单晶晶体的方法,其制备方法包括以下步骤:
(a1)、采用溴化镧单晶片为衬底;
(b1)、将溴化镧单晶衬底置于气相外延生长反应室中,在高温含氧或含氨氛围中衬底表面转化生长出纳米多孔溴氧化镧单晶薄膜;
(c1)、随着转化时间的增加,进一步进行转化生长,将溴化镧单晶衬底完全转化生长成自支撑纳米多孔溴氧化镧单晶晶体。
所述(a1)中的溴化镧单晶衬底为(001)面溴化镧。
所述(a1)中的溴化镧单晶衬底的尺度范围:1cm~5cm。
所述(b1)中高温转化生长温度范围:573K~973K。
所述(b1)中所述含氧或含氨氛围采用a流量的氧气+b流量的氮气+c流量的氩气+d流量的氨气气流,其中0SLM≤a≤10SLM、0SLM≤b≤1SLM、0.1SLM≤c≤1SLM、0SLM≤d≤1SLM。
所述(b1)中所述转化时间范围:30分钟~100小时。
所述(b1)中所述转化氛围压力范围:5Torr~700Torr。
所述(c1)中纳米多孔溴氧化镧单晶晶体为大尺寸(200)面纳米多孔溴氧化镧单晶晶体。
本发明通过将大尺寸氟化镧/氯化镧/溴化镧单晶晶体转化生长成同尺寸纳米多孔卤氧化镧单晶晶体,另辟蹊径开发出大尺寸、低成本(101)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体、(104)面纳米多孔氯氧化镧单晶晶体和(200)面的纳米多孔溴氧化镧单晶晶体。
本申请的有一方面,提供了上述任一项所述的多孔卤氧化镧单晶材料、根据上述任一项所述方法制备得到的多孔卤氧化镧单晶材料中的至少一种在催化材料中的应用。
本申请中,SLM是Standard Litre Per Minute的缩写,表示标准状态下1L/min的流量。
本申请中,所述晶体的尺寸和晶体最大表面中一维的尺寸是指一块晶体上面积最大的面上相邻最远两点的距离。
本申请能产生的有益效果包括:
(1)本申请中利用氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶与其相应卤氧化镧晶体结构相近的特点,使氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶衬底与氧气在高温下由外及里转化生长卤氧化镧晶体,其余产物完全挥发;
(2)本申请利用同体积氟化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶中的镧元素含量比卤氧化镧晶体中镧的含量少的特点,使得化镧单晶/氯化镧单晶/溴化镧单晶衬底与氧气在高温下由外及里转化生成纳米多孔卤氧化镧单晶晶体;
(3)本申请首次报道了纳米多孔氟氧化镧单晶晶体、大尺寸(101)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体;纳米多孔氯氧化镧单晶晶体、大尺寸(104)面纳米多孔氯氧化镧单晶晶体;纳米多孔溴氧化镧单晶晶体、大尺寸(200)面纳米多孔溴氧化镧单晶晶体;
(4)本申请制备纳米多孔卤氧化镧单晶晶体的方法操作简单、重复性好、价格低廉;
(5)本申请中所述材料具有自支撑结构,为块状单晶时,作为一种新材料,在光电转换,催化,半导体以及发光材料领域中都有潜在的应用。
附图说明
图1为样品1#大尺寸(111)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体的SEM及TEM图;
图2为样品2#大尺寸(104)面纳米多孔氯氧化镧单晶晶体的SEM及TEM图;
图3为样品3#大尺寸(200)面纳米多孔溴氧化镧单晶晶体的SEM及TEM图;
图4为样品1#~3#的催化性能测试图。
图5为样品1#~3#的尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明,本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
其中,氟化镧单晶为根据文献【SHI M,XU J.Large size LaF3:Eu:Ca crystalgrown by Bridgman-Stockbarger method[J].Materials Letters,2004,58(29):3823–3825.】中的方法制备得到。
氯化镧单晶为根据文献【LIU Z,WEI Q,QIN L,et al.Growth and luminescenceproperties of Pr3+-doped LaCl3 single crystal[J].Functional Materials Letters,2016,9(2):5–8.】中的方法制备得到。
溴化镧单晶为根据文献【SHI H,QIN L,CHAI W,et al.The LaBr3:Ce crystalgrowth by self-seeding Bridgman technique and its scintillation properties[J].Crystal Growth and Design,2010,10(10):4433–4436.】中的方法制备得到。
本申请的实施例中分析方法如下:
利用SU8010型扫描电镜分析。
利用F20,Talos-F200X透射电镜分析。
实施例1样品M1#和样品1#的制备
将尺寸为2cm的(0001)面氟化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气、氩气组成:氧气0.05SLM,氩气0.4SLM)并将体系加热至1073K,保持体系压力为100Torr,反应60分钟后,冷却至室温,即得生长在氟化镧单晶片衬底表面的多孔氟氧化镧单晶薄膜样品,薄膜厚度为500nm,记为样品M1#。
将尺寸为2cm的(0001)面氟化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气和氩气组成:氧气0.05SLM,氩气0.4SLM)并将体系加热至1073K,保持体系压力为100Torr,反应120小时后,冷却至室温,即得多孔氟氧化镧单晶晶体样品,记为样品1#,样品1#的晶体尺寸为2cm。
实施例2样品M2#和样品2#的制备
将尺寸为2cm的(001)面氯化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气和氩气组成:氧气0.1SLM,氩气1SLM)并将体系加热至773K,保持体系压力为10Torr,反应60分钟后,冷却至室温,即得生长在氯化镧单晶片衬底表面的多孔氯氧化镧单晶薄膜样品,薄膜厚度约为500nm,记为样品M2#。
将尺寸为2cm的(001)面氯化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气和氩气组成:氧气0.1SLM,氩气1SLM)并将体系加热至773K,保持体系压力为10Torr,反应120小时后,冷却至室温,即得多孔氯氧化镧单晶晶体样品,记为样品2#,样品2#的晶体尺寸为2cm。
实施例3样品M3#和样品3#的制备
将尺寸为2cm的(001)面溴化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气和氩气组成:氧气0.01SLM,氩气1SLM)并将体系加热至823K,保持体系压力为20Torr,反应60分钟后,冷却至室温,即得生长在溴化镧单晶片衬底表面的多孔溴氧化镧单晶薄膜样品,薄膜厚度为500nm,记为样品M3#。
将将尺寸为2cm的(001)面溴化镧单晶衬底,置于高纯氧化铝舟上,然后放入氧化铝管反应器中,通入含有氧气的原料气(原料气由氧气和氩气组成:氧气0.01SLM,氩气1SLM)并将体系加热至823K,保持体系压力为20Torr,反应120小时后,冷却至室温,即得多孔溴氧化镧单晶晶体样品,记为样品3#,样品3#的晶体尺寸为2cm。
实施例4样品M4#~样品M20#的制备
样品M4#~样品M8#的基本制备步骤同实施例1中的样品M1#,样品M9#~样品M14#的基本制备步骤同实施例1中的样品M2#,样品M15#~样品M20#的基本制备步骤同实施例1中的样品M3#,改变衬底和反应条件,得到不同的样品。样品编号与衬底和反应条件的关系如表1所示。
表1
其中,所述样品M4#~样品M20#的厚度为10nm~1000μm范围内。
应当注意的是,反应器中的空气中含有的氧气可参与反应,所以原料气中只含氨气而不含氧气也可完成反应。
实施例5样品4#~样品20#的制备
样品4#~样品8#的基本制备步骤同实施例1中的样品2#,样品9#~样品14#的基本制备步骤同实施例1中的样品2#,样品M15#~样品M20#的基本制备步骤同实施例1中的样品3#,改变衬底和反应条件,得到不同的样品。样品编号与衬底和反应条件的关系如表2所示。
表2
实施例6样品M1#~样品M20#、样品1#~样品20#的形貌表征
采用扫描电镜对样品1#~样品20#的形貌进行了表征,结果显示,样品1#~样品8#均具有10nm~500nm的孔。样品4#~样品8#的形貌与样品1#类似,以样品1#为典型代表,其(101)面纳米多孔氟氧化镧单晶晶体的扫描电镜照片如图1所示,由图可以看出氟氧化镧具有多孔的骨架结构。样品9#~样品14#的形貌与样品2#类似,以样品2#为典型代表,其(104)面纳米多孔氯氧化镧单晶晶体的扫描电镜照片如图2所示,由图可以看出氯氧化镧的多孔结构。样品15#~样品20#的形貌与样品3#类似,以样品3#为典型代表,其(200)面纳米多孔溴氧化镧单晶晶体的扫描电镜照片如图3所示,由图可以看出溴氧化镧的多孔结构。
由于氧化作用是由外到内进行,所以会形成从单晶材料表面延伸至单晶材料内部的孔道;孔道在所述单晶材料内部生长逐渐相互连通,最终形成不规则的三维孔道结构。
样品M1#~样品M20#的扫描电镜照片分别与样品1#~样品20#类似,如样品M1#的扫描电镜照片与样品1#类似。其中,所述产品的孔范围均在10nm~1000nm范围内。
实施例7样品1#~样品20#的结构/元素表征
采用X射线晶体衍射以及电子束刻蚀结合透射电镜的方法对样品M1#~样品M3#、样品1#~样品20#进行了原子结构表征,结果显示,这些样品都是相应的多孔的卤氧化物单晶。
由此可知,样品1#~样品20#均为卤氧化物单晶晶体,样品M1#~样品M3#均为卤氧化物单晶薄膜。
如图5所示,氧化得到的多孔单晶晶体大小可以与反应前的原料单晶保持一致,通过制备大尺寸的原料单晶即可获得数厘米的大尺寸卤氧化物单晶晶体。
实施例8样品1#~样品20#的催化性能测试
本实施例中对样品1#~样品20#的催化性能进行测试,测试结果如图4所示。图4为样品的样品1#~样品3#的催化性能测试结果。从图中可以看出多孔卤氧化镧单晶具有优良的甲烷氧化偶联催化性能。但所述性能并非卤氧化镧单晶最佳催化性能。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。
Claims (14)
1.一种多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述多孔卤氧化镧单晶材料为氟氧化镧、氯氧化镧或溴氧化镧单晶材料;所述多孔卤氧化镧单晶材料包含从单晶材料表面延伸至单晶材料内部的孔道;所述孔道在所述单晶材料内部相互连通,形成不规则的三维孔道结构;所述孔道的孔径为10 nm~1000 nm;
所述单晶材料的制备方法包括:将前驱体单晶在含氧氛围中反应,得到所述多孔卤氧化镧单晶材料;
其中,所述前驱体单晶选自氟化镧单晶材料、溴化镧单晶材料、氯化镧单晶材料;
所述多孔卤氧化镧单晶材料的尺寸与所述前驱体单晶的尺寸相等;
所述反应的温度为473 K~1673 K;
所述反应的压力为0.1 Torr~800 Torr;
所述反应的时间为1 min~100 h;
所述的含氧氛围中包含的氧气来自原料气,或者是来自反应器中的空气。
2.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述多孔卤氧化镧单晶材料为多孔单晶薄膜或多孔单晶晶体。
3.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述孔道的出口在所述单晶材料表面呈带状分布。
4.根据权利要求2所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述多孔卤氧化镧单晶薄膜的表面为多孔卤氧化镧单晶的(101)面、(104)面、(200)面中的至少一面。
5.根据权利要求2所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的尺寸为0.1 cm~30 cm。
6.根据权利要求2所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述多孔卤氧化镧单晶晶体的尺寸为1 cm~5 cm。
7.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述反应的温度为573K~1273 K。
8.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述原料气中包含氧气或氨气中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述原料气中包括氧气、氮气、氩气、氨气;其中,氧气的流量记为a,氮气的流量记为b,氩气的流量记为c,氨气的流量记为d,满足:
0 SLM≤a≤100 SLM;
0 SLM≤b≤100 SLM;
0 SLM≤c≤100 SLM;
0 SLM≤d≤100 SLM;
其中a + d > 0。
10.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述方法至少包括:将前驱体单晶置于含氧氛围中反应,前驱体单晶表面生长出多孔卤氧化镧单晶薄膜。
11.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,将前驱体单晶置于含氧氛围中反应1 min~20 h。
12.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,所述方法至少包括:将前驱体单晶置于含氧氛围中反应,前驱体单晶从外至内逐渐氧化,直至完全转化为自支撑的多孔卤氧化镧单晶晶体。
13.根据权利要求1所述的多孔卤氧化镧单晶材料,其特征在于,将前驱体单晶置于含氧氛围中反应1h~100 h。
14.权利要求1至13任一项所述的多孔卤氧化镧单晶材料在催化材料中的应用。
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