[發明專利]一種單層和雙層可逆調控的氧化鈰單晶納米薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201810878920.1
• 申請日: 2018-08-03
• 公開（公告）號: CN110791809B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 楊帆;張毅;包信和
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/64;C30B23/00;C30B33/02;C23C14/08;C23C14/30
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明涉及一種單層和雙層可逆調控的氧化鈰單晶納米結構的制備方法，包括：1)提供一個單晶Pt(111)襯底；2)提供鈰(Ce)蒸發源，并在干凈的Pt(111)襯底上生長0.3～1單層當量的氧化鈰；3)在一氧化碳氣氛中將任意0.3～1單層當量氧化鈰退火到300～700℃，以獲得還原的單層氧化鈰；4)在氧氣氣氛中對還原的單層氧化鈰退火到200～500℃，退火時間控制在15分鐘以內，以獲得氧化的單層氧化鈰；5)在氧氣氣氛中對(3)或(4)中制備的單層氧化鈰退火到500～600℃,退火時間控制在15分鐘及以上，以獲得雙層氧化鈰。該制備方法可以在同一個CeO₂材料表面選擇性制備出單層(～0.31nm)或者雙層(～0.62nm)氧化鈰，并可以實現單層和雙層的可逆轉變，且制備的氧化的單層氧化鈰具有優異的室溫CO氧化活性。

技術領域

本發明涉及一種單層和雙層可逆調控的氧化鈰單晶納米結構的制備方法，屬于納米材料技術領域。

背景技術

鉑-氧化鈰在很多工業催化反應中表現出優異的催化性質，例如：水汽變換反應、一氧化碳選擇性氧化以及甲醇蒸汽重整等。之所以具有優異的催化性能，是因為催化劑結構中存在金屬-氧化物的界面。同時催化劑的性能還會受到表面組成以及表面電子/幾何結構的影響。鉑-氧化鈰催化劑中，貴金屬鉑會給氧化鈰傳遞電子，所以可以調控氧化鈰的電子結構，同時由于氧化鈰和貴金屬鉑之間存在很強的相互作用，一些亞穩態的結構可以穩定存在，所以氧化鈰的幾何結構也可以被調控。因此，在Pt(111)單晶上構建不同厚度的氧化鈰，對于我們理解催化中的構效關系至關重要。

目前在Pt(111)上制備氧化鈰納米單晶的方法主要有兩種：一種是沉積金屬Ce，使得金屬Ce與Pt形成合金，然后對合金在進行氧化得到氧化鈰；另外一種是“活性沉積”，即在氧氣氣氛下將氧化鈰沉積在加熱的襯底上得到氧化鈰。通過氧化合金得到的氧化鈰納米島通常為多個氧化鈰層(～2nm)，而通過活性沉積得到的氧化鈰通常表面高度不均一，因此想實現對于氧化鈰厚度的進行原子級可控，甚至可以對厚度進行可逆調控仍存在很大挑戰。

發明內容

基于目前技術的局限性，本發明通過調控退火的氣氛和時間，成功在同一個樣品表面實現了單層(一個O-Ce-O層，～0.31nm)和雙層(兩個O-Ce-O層，～0.62nm)CeO₂納米單晶薄膜的選擇性制備，并可以對厚度進行可逆調控，這種方法簡單易行。同時通常的Pt/CeO₂催化劑需要在100℃以上才會表現出明顯的CO氧化活性，但是我們制備的氧化的單層氧化鈰25℃就可以與CO發生明顯的反應，表明該結構具有很高的催化活性。

一種鉑-氧化鈰納米催化劑，所述鉑為Pt(111)單晶，氧化鈰沉積于Pt(111)單晶表面，所述氧化鈰為單層或雙層。所述單層與雙層可逆調控。

本發明所述的單層是指單層厚度的氧化鈰結構(一個O-Ce-O層，厚度約為0.31nm)。

本發明所述的雙層是指兩倍單層層厚度的氧化鈰結構(兩個O-Ce-O層，厚度約為0.62nm)。

一種單層和雙層可逆調控的氧化鈰單晶納米結構的制備方法，在同一個Pt(111)單晶納米材料表面選擇性的得到單層(一個O-Ce-O層)和雙層(兩個O-Ce-O層)氧化鈰薄膜，并可以實現厚度的可逆轉變：

具有還原的單層氧化鈰的鉑-氧化鈰納米催化劑的制備方法包括如下步驟：

(1)提供一個原子級干凈平整的單晶Pt(111)襯底，以獲得原子級干凈平整的表面；

(2)將經步驟(1)處理的Pt(111)襯底維持在-200～400℃，并在氧氣氣氛中經(Ce)蒸發源將Ce沉積到Pt(111)單晶表面，以獲得0.3～1單層當量的氧化鈰(CeO₂)納米結構；