[发明专利]一种单层和双层可逆调控的氧化铈单晶纳米薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种单层和双层可逆调控的氧化铈单晶纳米结构的制备方法，包括：1)提供一个单晶Pt(111)衬底；2)提供铈(Ce)蒸发源，并在干净的Pt(111)衬底上生长0.3～1单层当量的氧化铈；3)在一氧化碳气氛中将任意0.3～1单层当量氧化铈退火到300～700℃，以获得还原的单层氧化铈；4)在氧气气氛中对还原的单层氧化铈退火到200～500℃，退火时间控制在15分钟以内，以获得氧化的单层氧化铈；5)在氧气气氛中对(3)或(4)中制备的单层氧化铈退火到500～600℃,退火时间控制在15分钟及以上，以获得双层氧化铈。该制备方法可以在同一个CeO₂材料表面选择性制备出单层(～0.31nm)或者双层(～0.62nm)氧化铈，并可以实现单层和双层的可逆转变，且制备的氧化的单层氧化铈具有优异的室温CO氧化活性。

技术领域

本发明涉及一种单层和双层可逆调控的氧化铈单晶纳米结构的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

铂-氧化铈在很多工业催化反应中表现出优异的催化性质，例如：水汽变换反应、一氧化碳选择性氧化以及甲醇蒸汽重整等。之所以具有优异的催化性能，是因为催化剂结构中存在金属-氧化物的界面。同时催化剂的性能还会受到表面组成以及表面电子/几何结构的影响。铂-氧化铈催化剂中，贵金属铂会给氧化铈传递电子，所以可以调控氧化铈的电子结构，同时由于氧化铈和贵金属铂之间存在很强的相互作用，一些亚稳态的结构可以稳定存在，所以氧化铈的几何结构也可以被调控。因此，在Pt(111)单晶上构建不同厚度的氧化铈，对于我们理解催化中的构效关系至关重要。

目前在Pt(111)上制备氧化铈纳米单晶的方法主要有两种：一种是沉积金属Ce，使得金属Ce与Pt形成合金，然后对合金在进行氧化得到氧化铈；另外一种是“活性沉积”，即在氧气气氛下将氧化铈沉积在加热的衬底上得到氧化铈。通过氧化合金得到的氧化铈纳米岛通常为多个氧化铈层(～2nm)，而通过活性沉积得到的氧化铈通常表面高度不均一，因此想实现对于氧化铈厚度的进行原子级可控，甚至可以对厚度进行可逆调控仍存在很大挑战。

发明内容

基于目前技术的局限性，本发明通过调控退火的气氛和时间，成功在同一个样品表面实现了单层(一个O-Ce-O层，～0.31nm)和双层(两个O-Ce-O层，～0.62nm)CeO₂纳米单晶薄膜的选择性制备，并可以对厚度进行可逆调控，这种方法简单易行。同时通常的Pt/CeO₂催化剂需要在100℃以上才会表现出明显的CO氧化活性，但是我们制备的氧化的单层氧化铈25℃就可以与CO发生明显的反应，表明该结构具有很高的催化活性。

一种铂-氧化铈纳米催化剂，所述铂为Pt(111)单晶，氧化铈沉积于Pt(111)单晶表面，所述氧化铈为单层或双层。所述单层与双层可逆调控。

本发明所述的单层是指单层厚度的氧化铈结构(一个O-Ce-O层，厚度约为0.31nm)。

本发明所述的双层是指两倍单层层厚度的氧化铈结构(两个O-Ce-O层，厚度约为0.62nm)。

一种单层和双层可逆调控的氧化铈单晶纳米结构的制备方法，在同一个Pt(111)单晶纳米材料表面选择性的得到单层(一个O-Ce-O层)和双层(两个O-Ce-O层)氧化铈薄膜，并可以实现厚度的可逆转变：

具有还原的单层氧化铈的铂-氧化铈纳米催化剂的制备方法包括如下步骤：

(1)提供一个原子级干净平整的单晶Pt(111)衬底，以获得原子级干净平整的表面；

(2)将经步骤(1)处理的Pt(111)衬底维持在-200～400℃，并在氧气气氛中经(Ce)蒸发源将Ce沉积到Pt(111)单晶表面，以获得0.3～1单层当量的氧化铈(CeO₂)纳米结构；