ZnO纳米晶的暴露晶面调控及其光催化稳定性研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

在本次设计中,zno作为一种十分重要的功能型氧化物半导体材料,其具有良好的化学和稳定性,在太阳能电池、传感器传感、光催化等方面具有比较高的潜在应用价值。更重要的是,当zno作为光催化剂的时候,其表现出活性高、稳定性好、不产生二次污染物等优点[1],因而在环境污染治理尤其是生活污水处理方面越来越重要。当今,污水处理方法主要有活性污泥法和氧化法,前者的处理方法建设成本的大、运营成本高、管理复杂并且不能满足高效低耗能的要求;后者虽然处理起来操作简单但效果并不理想且运行成本高。因此,寻找一种建设环境友好型、运营成本低、易运营管理并且高效低耗能的生活污水处理方法是十分重要的,正如习近平同志所说:“我们既要绿水青山,也要金山银山。宁要绿水青山,不要金山银山,而且绿水青山就是金山银山。”这即是本文研究的意义。

光催化这一类反应通常指发生在催化剂与有机污染物接触的界面[2-4],并且由于zno薄膜是由zno纳/微晶组成的,zno晶体具有择优取向,所以控制制备zno样品的实验条件及其制备方法是控制其暴露面[5]的关键手段,这一点是很重要的。同时,如果要zno薄膜要持续起作用的话,其催化稳定性[6]十分重要。催化稳定性指在数次使用后仍然能保持较好的催化性能,也能理解为催化剂的寿命。于是,实验目的即为:探究出一组最优的实验条件以获取稳定性最好的zno纳米晶,并揭示出zno纳米晶暴露晶面与其光催化稳定性的内在联系。

到目前为止,国内外有许多制备zno光催化剂的方法,如水热法(溶液法)、直接沉淀法、溶胶-凝胶法、高分子网络凝胶法、微波水热法和直接化学合成法等等。水热法能制备出形状不同的纳米颗粒,并且制备的样品有比较好的性能,操作方法对比其他也相对简单一些,但是水热法的成本过高,不易于工业生产,但是适用于实验室研究[6];直接沉淀法工艺成本低、操作简单、纯度也较高,但是分散性很差,造成的浓度分布难以均匀,有团聚现象[7];溶胶-凝胶法制备的样品的尺寸小,可以通过调控水解产物来改变颗粒尺寸[8];高分子网络凝胶法和上一种方法一样能控制晶粒的尺寸,操作简单,不需要醇盐等高价原材料,也结合了许多合成法的优点[9-10];微波水热法与水热法类似,仅仅是加热的方式改变。但是,由于纯zno的光催化效率在5个循环后会降低0~10%,表明由于纯zno的稳定性差,可能发生zno的光致腐蚀。同时为了达到更好的性能和定向光催化的能力,国内外的科研人员不仅仅从制备方法改良,还通过在制备zno纳/微晶的过程中加入参杂剂,如:姜建辉等人的cu、ni掺杂[11]、梁鹏举等人的 ce掺杂[12]、臧淑艳等人的 fe掺杂[13]等等;还有与其他材料相复合,以便加强其光催化的稳定性,如:刘亚男等人的 z型复合催化剂g-c3n4/vo-zno光催化[14]、杨状等人的复合材料bivo4/zno光催剂[15]、m.j.sampaio, m.j. lima等人的ag纳米颗粒负载在zno的表面复合[16]等等;

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:溶液法制备zno粉末样品,然后分散到有机溶剂中制备成浆料,涂敷在氟化二氧化锡(fto)玻璃片上。

材料表征: ①zno粉末样品表征:x射线衍射(xrd);

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-7周:按照设计方案,制备不同暴露晶面比例的zno纳米晶。

第8-11周:采用xrd、fe-sem、tg-dsc、eds、xps等测试技术对zno纳米晶的物相、显微结构进行表征,同时对其光催化性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] f. lu, w. cai, y. zhang. zno hierarchical micro/nanoarchitectures:solvothermal synthesis and structurally enhanced photocatalytic performance[j].adv. funct. mater., 2008,18(7):1047-1056.

[2] e. jang, j. won, s. hwang, j. choy. fine tuning of the face orientation of zno crystalsto optimize their photocatalytic activity[j]. adv. funct. mater.,2006,18(24):3309-3312.

[3] 王新娟,肖洋,徐斐,张曦乔,张资平. 形貌可控zno微纳米结构的水热合成及光催化性能[j].无机化学学报, 2014,30(8): 1821-1826.

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