光催化材料毕业论文

太阳能因其分布范围广,能量输入稳定,清洁,安全等优点得到了越来越高的重视程度。各国科研工作者都致力于实现通过太阳能来发展环境友好,清洁安全,可持续发展,经济可行的工业技术。太阳能向化学能转换过程成为目前最为重要的研究热点。通过利用太阳能辐射的吸收,实现化学能的能量转换过程。太阳能向化学能转换目前主要的应用领域包括:光催化降解有机污染物;光催化分解水制氢气;光催化CO2还原和光催化固氮。这些应用为解决能源需求危机和解决日益严重的环境污染,温室效应等问题提供了有效的解决途径。近年来,光催化材料研究和性能提升取得了显著的成果,但是光催化的效率始终是其应用的核心限制因素,而光催化性能提升的关键因素包括:(1)增强太阳光的吸收光谱范围,获得更多的光生载流子;(2)提高载流子的分离效率,实现更多的载流子到达催化活性位点;(3)改善催化反应活性,提高催化位点上的载流子利用率。本质上都是针对光生载流子有效利用数量的调控,即分别针对光生载流子的产生、分离、利用三个过程。光生载流子是半导体价带电子吸收能量后跃迁到导带形成的非平衡载流子,很容易复合而恢复到平衡态,此外材料中的杂质、空位等对载流子具有很强的捕获作用,形成复合中心,因此,材料本征的载流子分离效率很低,是限制光催化效率提升的关键和材料调控的难点。其中,应用最广泛和最有效的策略主要有以下两种:(1)结合不同的光催化反应体系,开发能带匹配的光催化异质结构。利用不同半导体能带结构差别,通过势能差形成在复合界面处的内建电场“因势利导”实现光生载流子从能级高的一端向能级底的一端自然移动,实现光生载流子的高效分离,例如,通过p-n半导体异质结;type-Ⅱ型异质结构;直接Z-scheme型异质结构和肖特基异质结构等半导体复合异质结构,通过内建电场实现高效光生载流子分离;(2)利用外场辅助增强光生载流子的分离。除了通过构建半导体异质结构促进光生载流子的分离,在光催化反应体系中引入外场是在不改变半导体原始性质的情况下提高光催化活性的一种灵活而可控的策略。通过施加微波、压电、热、电极化、磁场等外场都有能力提高半导体的电荷分离,为光生载流子的快速分离提供所需的外部驱动力来克服光生载流子的快速复合,从而提高光催化性能。但是,大部分外场的施加,例如电场,都需要将催化材料负载在电极材料上,虽然能提高单位质量催化剂的催化效率,但有两个不利影响:1.将悬浮液三维催化体系降低为电极材料上的二维催化体系,整体催化效率降低;2.将材料负载在电极上时,会覆盖光催化材料的催化位点,影响粉体材料催化活性位点的充分利用。此外,这类施加电场所需要的电极、导线、电源等会带来较大的资源和能源消耗。如何实现对粉体光催化材料施加非接触的外场作用,将是光催化技术研究的一个新的突破点,同时也是一个难点。磁场容易作用在悬浮体系的纳米颗粒上,在对纳米颗粒性能的无线调控方面,具有显著的优势。基于此,本工作的研究思路是,将在载流子调控方面很少被关注的磁场作用,引入研究体系,主要研究思路如下:1.基于磁场作用下运动的电荷会受到磁场洛伦兹力作用,改变运动方向这一基本物理原理出发,开展对非磁性光催化材料光生载流子的调控研究。2.利用磁场对电子自旋极化的调控作用,通过电子自旋极化改变载流子分离特性,开展对磁性光催化材料光生载流子的调控研究。主要内容为:首先研究磁场洛伦兹力对光生电子和空穴的直接作用,利用光生电子和空穴在磁场中运动产生反方向的洛伦兹力影响其运动状态,从而限制其复合;其次,利用洛伦兹力引起的纳米导体电子极化分布所形成的微电势,即运动导体电磁感应产生的动生电动势,实现对其表面组装的半导体纳米材料的光生载流子分离的调控。然后,根据磁性半导体材料中的电子自旋方向多样,具有自旋极化状态调控的条件,研究在磁场作用下,通过调节电子自旋极化状态,对光生电子和空穴的自旋极化状态进行调节,影响其复合率,从而实现磁场对磁性半导体光催化材料的光生载流子分离的调控。主要研究内容及成果如下:(1)洛伦兹力调控光生载流子分离和磁场辅助光催化:首先,利用载流子与磁场相对运动受到的洛伦兹力作用,抑制光生载流子的复合,实现高效光催化性能。选择最常用的二氧化钛(TiO2)光催化材料作为模式材料,制备了晶格结构完整的TiO2纳米带,研究其在磁场中相对运动时的光催化性能,分析磁场对半导体材料光催化性能调控机理。结果显示,在普通的搅拌式光催化系统下放置永磁体提供磁场,与不施加磁场相比,光催化降效率可以提高约40%。利用电化学Mott-Schottky曲线分析光生载流子浓度,发现磁场作用下的光生载流子浓度增加了约30%,因此提出通过引入洛伦兹力对光生电子和空穴的反方向作用力,在光生载流子光激发形成初期对电子-空穴复合过程形成抑制作用,实现了传输过程中的光生载流子数量增多,进而实现光催化性能提升,这为设计增强光生载流子分离的材料和系统开辟了一条新的思路。其次,在洛伦兹力作用提高TiO2纳米带中光生载流子的分离效率的研究基础上,构建晶格完整TiO2纳米带与还原氧化石墨烯(rGO)的异质结构,探索在磁场洛伦兹力作用对异质结构光生载流子分离的调控作用。研究结果显示,在相同磁场条件下,rGO/TiO2纳米带异质结构的光催化效率比纯TiO2纳米带的光催化降解率提高了 34%,说明异质结构的界面内建电场对光生载流子分离产生显著作用。结合磁场洛伦兹力和异质结构界面内建电场协同作用,提出从光生载流子分离和输运两个阶段来讨论其光催化增强机理,即分离阶段,磁场洛伦兹力抑制了光生载流子产生初期的复合,使得能够参与载流子输运的数量增加;输运阶段,rGO-TiO2异质结构形成的内建电场为载流子提供了自发输运路径,实现了更多的光生载流子的转移。这种具有“内建电场-磁场”协同作用的复合光催化材料设计思路,为磁场增强光催化材料设计展示了重要的方向。(2)电磁感应原位微电场的构建及磁场对纳米复合结构光催化材料的载流子调控:通过构建以纳米导体为核的复合结构材料,实现磁场中金属导体电磁感应效应的动生电动势,为复合材料提供原位微电场,增强光生载流子的分离。根据电磁感应原理,在磁场中运动的金属导体,其电子受到洛伦兹力作用形成电荷极化分布,宏观上表现为磁场动生电动势。以纳米导体为核构建的复合光催化材料中,纳米导体的动生电动势作为原位微电场调节光生载流子的分离,从而实现光催化性能的提升。基于以上材料设计思路,通过以金(Au)纳米棒作为纳米导体材料,以CdS纳米颗粒作为半导体光催化材料,构建Au@CdS纳米复合材料作为模式材料,展开电磁感应微电势对光生载流子分离性能调控的机理研究。利用自主设计和改造的运动磁场施加装置,研究了复合材料在磁场作用下光催化制氢性能的变化,结果显示在磁场作用下,Au@CdS纳米复合材料的光催化制氢效率可以提高110%左右,证明了磁场动生电动势提供的微电场对光生载流子分离的有效增强。这种利用金属-半导体核壳纳米复合结构在磁场作用下产生的电磁感应微电场,是纳米结构材料从相对运动的动能到电势能的有效转换结构,为非接触外场增强光催化性能提供了材料设计新思路,能够形成功能材料介导的原位微电场增强载流子分离的复合结构光催化材料新体系。除了磁场原位微电场对负载的光催化材料中光生载流子的调控作用,局域表面等离激元效应(LSPR)是在金属表面自由电子与相同振动频率的光子相互作用形成的电磁振荡。其中,形成的热电子也具有光生载流子特性,因此,磁场与运动导体作用产生微电势可能会对在金属导体表面基于LSPR产生的热电子具有调控作用。LSPR效应需要避免表面负载对金属表面电子的影响,通过构建钯(Pd)-金(Au)纳米棒(NRs)哑铃状复合结构,既形成复合结构催化材料,降低Pd的负载影响Au的LSPR,用于开展等离子体增强的甲酸脱氢催化反应,研究磁场作用下的催化性能调控。研究表明,利用自主设计和改进的运动磁场施加装置,对Pd-Au NRs哑铃状复合结构的甲酸脱氢反应过程施加运动磁场,在28℃反应条件下的甲酸脱氢效率提高了约60%,在45℃的反应条件下,甲酸脱氢效率提高可达150%以上。由于Pd催化甲酸脱氢反应与Pd表面电子密度密切相关,磁场作用下催化性能的显著提升说明Pd表面电子的富集,表明更多的Au纳米棒LSPR产生的热电子转移到Pd纳米颗粒的表面,验证了磁场动生电动势对LSPR热电子的调控作用,形成原位微电场对自体载流子的调节作用。本工作进一步证实了功能材料介导的原位微电场增强光生载流子分离的复合结构光催化材料设计具有可行性和普适性。(3)磁场调控铁磁半导体电子自旋极化增强光生载流子的分离:磁性半导体材料的电子自旋方向不同,没有表现出对光生载流子的作用,但是其电子自旋方向是可以利用磁场进行调节的,当电子自旋极化后,磁性半导体材料的光激发电子和空穴自旋极化状态会受到影响,进而调控光生载流子分离。通过结构调控选择选取具有光催化性能的铁酸锌(ZnFe2O4)铁磁性材料,研究其在磁场中电子自旋极化态的变化与光生载流子分离和催化活性的关系。通过引入阳离子无序和氧空位,合成了具有不同铁磁性能的ZnFe2O4(ZFO)光电极。在磁场作用下,铁磁性能越好的ZnFe2O4具有更强的光电催化析氧反应(OER)性能,实现了减少煅烧时间与磷化处理的ZnFe2O4在和 V vs可逆氢电极(RHE)时的OER性能比无磁场作用下分别提高了 150%和125%。其机理可解释为,阳离子无序和氧空位的引入,提高了自旋电子浓度,在磁场作用下会实现更多的电子自旋极化。处于自旋极化状态的电子在光激发过程中,电子和空穴形成相反的极化状态,空穴的极化会保持,而电子进入激发态后,由于超精细结构效应、自旋-轨道耦合效应等,会弛豫失去极化状态,即部分电子自旋方向发生反转。因为没有能够与之复合的、具有适当自旋方向的空穴存在,反转的电子向空穴的跃迁是受阻的,限制了光生电子空穴的复合。此外,电子自旋极化产生的磁阻效应,降低了载流子输运的电阻,使更多的光生载流子分离并转移到催化活性表面,增强OER催化性能。本工作通过调控电子自旋极化增强光生载流子分离,扩展了磁场增强光催化性能的理论和材料体系。整体来说,本论文研究了磁场调控光催化性能的机理,并提出了材料设计原理,构建了磁场增强光催化的材料体系。将磁场对电荷的洛伦兹力和对电子自旋极化的调控,应用在光生载流子分离过程中,实现抑制光生载流子的复合和增强其输运,进而实现了光催化性能的提升。作为非接触式的外场调控体系,对高性能的光催化材料体系的构建和拓展,提供了一定的指导意义。展开

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沈 阳 工 程 学 院毕业设计（论文）开题报告锐钛型纳米二氧化钛粉体制备方法系 部： 能源与动力工程系 专 业： 应用化学 学生姓名： 张雨 指导教师： 马姗姗 开题时间： 年 月 日 一、总体说明在开题报告中要求给出你对课题的理解，类似的研究在国内外的进展情况，你对系统设计的初步设想，主要需要解决的技术难题和解决思路，同时应给出课题的时间安排。二、开题报告内容1．毕业设计（论文）课题的目的、意义、国内外现状及发展趋势2．课题主要工作（设计思想、拟采用的方法及手段）3．完成课题的实验条件、预计设计过程中可能遇到的问题以及解决的方法和措施4． 毕业设计（论文）实施计划(进度安排)5． 参考文献三、撰写要求1．报告字数不少于3000字2．报告内容一律用A4纸打印3. 上交时间为毕业设计第三周周末。一、毕业设计（论文）课题的意义、国内外现状及发展趋势(可加附页)1.意义纳米二氧化钛主要有两种结晶形态：锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。锐钛型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外线材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、制造工业、造纸工业、航天工业中、锂电池、光隔离器和光环行器中。纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线屏蔽功能和产生颜色效应的一种透明物质。由于它透明性和防紫外线功能的高度统一，似的它一经问世，便在防晒护肤、塑料薄膜制品。木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了广泛应用。特别是在80年代末期，这种能产生诱人的“随角异色”效应的效应颜料被成功地用于豪华型高级轿车后面漆之后，引起了世界范围的普遍关注，发达国家如美、日、欧、等国对此研究工作十分活跃，相继投入了大量人力、物力，并定制了长远规划，在国际市场竞争激烈迄今，他们已取得许多令人惊异的成果，并已形成高技术纳米材料产业，生产了这种附加值极高的高功能精细无机材料，收到良好的经济效益和社会效益，纳米氧化物材料也正式为中国产业世界关注的热点。随着纳米材料研究的深入，纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，技术上的飞跃，为纳米材料的应用进一步打开市场的大门，在广泛的领域形成了一大批高技术产品。如信息与通讯方面的磁性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜；电子方面的原件开发，能源方面的太阳能电源，热敏绝缘体，测量与控制技术方面的传感器；陶瓷方面的结构陶瓷，功能陶瓷以及其他方面的抗老化橡胶、功能油漆、光催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁能衡土水磁体等。又纳米材料集成度高的特点，在光信号的发射、放大、传输、路由等方面有应用前景，具有科学研究意义和应用价值。 2.国内外现状及发展趋势由于纳米TiO2在光隔离器和光环行器等方面具有广阔的应用前景，我国在光隔离器、光环行器和光准直器等方面也有一些进展。光隔离器单级的最小隔离度为30dB最大插入损耗为; 双级的最小隔离度为45dB最大插入损耗为。光环行器的插入损耗≤隔离度≥45dB。光准直器有P级和A级两种典型插入损耗为和回波损耗分别≥65dB和≥60dB。 2. 发展趋势 随着全光通信网络技术的发展对大端口数矩阵光开关的需求会逐渐增加。这种光开关目前在国外的研究也刚刚开始主要是采用光子集成技术的微电子机械开关(MEMS)和热光式开关。这需要光子集成器件、光交换技术以及光纤与波导耦合技术等各方面大力协同努力攻关。同时，在国外技术比较成熟、形成批量生产能力时可以考虑进行技术引进。纳米TiO2是一种新型的无机功能材料，其粒径在1～100nm之间，具有比表面积大、表面活性高、分散性好等特点，表现出独特的物理化学性质［1］。纳米TiO2最初的应用是在精细陶瓷、屏蔽紫外线、半导体材料、光催化材料［2］等方面，由于具有光催化活性高、稳定性好、对人体无毒、价格低廉等优点，其应用领域至今扩展至有机废水降解、重金属离子还原、空气净化、杀菌、防雾等诸多领域［3］。因此，通过控制材料合成条件，开发先进生产工艺，制得纯度高、粒径小、力度分布窄的纳米TiO2已成为当前相关交叉学科研究中最活跃的领域之一。目前，国内外纳米TiO2的合成工艺根据其反应物系的物理形态一般分为气相法、液相法和固相法等三类［4］。本文对目前全世界研究最多、应用最广的纳米TiO2制备技术进行了详细的分析和比较，并展望了该领域今后的发展方向，以期为相关的研究工作提供参考。1气相法气相法一般是通过加热等手段先将金属钛的卤化物、金属有机钛化合物等前体气化，使其在气相条件下发生物理或化学变化，然后在冷却过程中成核、生长，最后形成纳米TiO2。主要包括化学气相沉积法、物理气相沉积法和化学气相水解法。2液相法液相法是以可溶于水或有机溶剂的金属盐类为原料，使金属盐溶解后以离子或分子状态混合均匀，再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸发、结晶、升华、水解等过程，将金属离子均匀沉淀或结晶出来，再经过脱水或热分解制得粉体。该法是目前国际上纳米TiO2颗粒制备领域最主要、研究最多的方法，具有原料价格低、来源广、易操作、设备简单等优点，这使得其在实验室研究中被广泛采用。液相法分为溶胶－凝胶法、胶溶法、沉淀法、水热合成法和微乳液法等。3固相法固相法是依靠机械力的作用对固体材料进行研磨粉碎，通过固相到固相的变化来制备TiO2粉体，具有工艺简单，成本低，产率高，可大批量生产等优点［19］，但早期存在难制得1μm以下的超细粉体，过程易引入杂质等缺点，限制了该法的发展。近年来随着机械工艺的改进，固相法在制备纳米材料领域逐渐引起了大家的关注。纵观国外纳米TiO2的生产，存在着以下特点：生产原料主要为四氯化钛、硫酸氧钛，生产方法主要有气相法和液相法，气相法主要有以四氯化钛为原料的氢氧火焰水解法，而液相法主要是以四氯化钛和硫酸氧钛为原料的化学沉淀法，且多数生产厂家为钛白粉生产厂，充分利用了原有氯化法和硫酸法生产装置的中间产物、生产技术、公用工程和生产管理方面的经验。总之，纳米TiO2因其具有的特殊的物理、化学性质及其广阔的应用前景，必将拥有巨大的市场需求。尽管在我国纳米TiO2的市场刚刚形成，但是随着纳米产品的普及以及人们消费观念的改变，以及纳米技术和对纳米TiO2产品应用的不断深入、市场的不断规范和发展，纳米TiO2必将迎来广阔的市场发展空间并带来巨大的社会和经济效益。二、课题预期目标及主要工作（设计思想、拟采用的方法及手段）（一）预期目标1、撰写毕业论文2、得到二氧化钛试验产品（二）主要工作该设计制备过程是将四氯化钛加入到盐酸溶液中，得到四氯化钛的盐酸溶液；然后将四氯化钛的盐酸溶液加入到碱性物质的水溶液中，控制体系的PH值为7-8，生成白色的氢氧化钛沉淀，过滤，清洗，得到沉淀产物氢氧化钛；再将其转化为有机盐，之后控制煅烧温度及时间得到锐钛型型纳米二氧化钛。本设计涉及溶液的配制与浓度标定、沉淀反应合成、过滤、洗涤、煅烧、分析、表征。训练学生应用化学基本理论进行化学分析、化学合成、化学实验的能力。主要研究内容包括：TiCl4溶液的配制与标定；碱性溶液的配制；沉淀反应合成；过滤、清洗、干燥、煅烧与分析表征。具备实验场所，购买相关药品和器皿；外协分析。（三）主要实验流程：1.步骤钛源（100ml/组）→加到盐酸溶液得到四氯化钛的盐酸溶液，其中四氯化钛为溶质，盐酸为溶剂，得到溶液的浓度为：1mol/L。（原理：四氯化钛遇到水会剧烈水解，加到盐酸溶液中是为了降低反应的剧烈程度，Ticl4+H2O↔Ti(OH)4+Hcl，加入盐酸反应逆向进行，从而减少四氯化钛的水解程度。）→加入碱性物质氨水水解生成氢氧化钛。（若不加碱性物质会使生物颗粒不均一，而且得到的颗粒非常细而无法结晶和过滤，加碱性物质相当于加成核剂，其反应原理： Ticl4+H2O↔Ti(OH)4+Hcl；Ti(OH)4↔Ti4++4OH-,若使Ti4+完全沉淀需要加OH-促进反应反向进行生成沉淀。其浓度可根据氢氧化钛的离子积Ksp=[ Ti4+][ OH-]4来计算，当使氢氧化钛完全沉淀时Ti4+浓度小于或等于10-5mol/dm-3,从而计算出需要加入OH-的浓度，可以确定加入氨水的量。）→洗涤和过滤（加三遍酒精和三遍纯净水交替洗涤。原因：生成Ti(OH)4的溶液中含有大量的cl-和NH4+，结晶后的氯化铵也易在水中溶解，用水和酒精能够清洗掉。）→用硝酸银滴定滤液，检测氯离子是否清洗干。2.实验具体条件（1）溶解四氯化钛所用的盐酸溶液的摩尔浓度为3mol/L。调节pH所用的碱性物质为氨水，氨水与钛的质量比初定为。过滤时先用酒精再用清水交替清洗三遍。煅烧：在600摄氏度下煅烧两个小时得到产品锐钛型型纳米为氧化钛。（2）仪器 100mL烧杯、500mL烧杯、滴管、玻璃棒、移液管、光催化反应器、500mL 容量瓶、25mL容量瓶、研钵、瓷坩埚、马弗炉、烘箱、天平、磁力搅拌器、离心机、722型分光光度计、紫外可见分光光度计、X射线衍射仪、透射电镜。（3）药品钛源（四氯化钛）、盐酸、氨水酒精、硝酸银、有机酸。3．本实验的侧重点是对所用钛源（四氯化钛）提纯后的纯度分析。由XRD来分析样品的晶型与颗粒大小；由光催化实验来确定所制备纳米二氧化钛的催化性能，从而确定出最为合适的制备方法。最后对该制备方法进行差热分析，并对所制备的样品进行透射电镜分析，从而可以深入理解该方法最为优良的原因三、预计设计过程中可能遇到的问题以及解决的方法和措施1.有机酸的选取及其浓度的确定是比较关键的一项，在这里我初步将其定为甲酸，而对于浓度的选取还需在试验中进一步完善2、四氯化钛被氧化。在隔绝空气的条件下将四氯化钛加到盐酸溶液中，可以采用注射器抽取四氯化钛溶液加到盐酸中。3、四氯化钛与盐酸的混合液pH控制不合理。采用不同的碱性试剂来调节。如用氢氧化钠、氨水、碳酸钠或有机碱性试剂。4、得到的氢氧化钛沉淀量较少或得不到沉淀。从新调节pH值，或改变陈化条件观察得到白色沉淀量的变化。5、得到的氢氧化钛沉淀过滤非常困难。采用不同的碱性试剂，或与碱性试剂反应时的温度或者搅拌速度。6、得到锐钛型型二氧化钛粉体不符合产品规格要求。调节控制煅烧温度，和与碱反应的温度，或者增加清洗过滤沉淀的次数。四、进度安排第一周：阅读文献确定实验思路，列出所用器皿和药品明细。第二周：撰写开题报告，翻译英文资料（不少于3000字）。第三~五周：根据实验思路分析资料，进行初步试验，对实验溶液进行配置和标定。第六~十周：制备锐钛型型纳米二氧化钛，对制备工艺和影响因素进行研究和调整。第十一周：准备论文所需要的材料，撰写毕业论文。第十二周：答辩。五、参考文献（1） 钛乙醇盐合成以其水解制备微分的研究，功能材料。, , 278-281（2） 纳米二氧化钛的制备及其表征，纳米技术与精密工程。, (2005), 19-21（3） 溶胶凝胶法合成多孔二氧化钛粉体及光催化性能的研究，化工技术和开发，, (2011), 13-15（4） 液相水解法制备纳米二氧化钛粉体及其工艺研究，应用化工，, (2007), 1-3（5） 相转移法制备二氧化钛粉体的工艺研究，沈阳工程学院院报，, (2012), 362-364（6）张立德,牟季美. 纳米材料和纳米结构[M] . 北京:科学出版社,2001六、指导教师意见指导教师签名：年 月 日