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探究二氧化钛纳米材料的显微结构与其光催化性能的联系开题报告

 2020-02-10 11:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

由于能源危机与环境污染的日益严峻,寻找新型可再生清洁能源是人类社会面临的一个重要问题。而太阳能作为一种绿色、清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源,因此如何高效的将太阳能转化为化学能是一项具有挑战且意义重大的工作。在已提出的各种技术中,半导体光催化技术被认为是一种理想的绿色洁净技术,可以实现在常温常压下直接将太阳能转化为化学能,因此极大地引起了科学家们的研究兴趣。而其中,光催化剂作为光催化技术的核心部分直接影响整个反应的光催化效率。在众多光催化剂中,二氧化钛也因储量丰富、化学性质稳定、环境污染小和具有很强的光催化活性,成为应用最为广泛的优良光催化剂[1-6]。

自20世纪早期以来,已经有关于二氧化钛的这种光活性的科学研究报道[7]。例如,早在1938年就有关于真空和氧气中二氧化钛染料漂白的报道[8]。报道中称,紫外吸收使二氧化钛表面产生活性氧,导致染料的光漂白。文章中将二氧化钛的这种特殊性质称之为光催化性。虽然自从1974年日本科学家发现了二氧化钛的光解水产氢催化性能以来[9],人们就开展了大量相关的研究,但时至今日,二氧化钛纳米材料性能仍然存在一些问题,例如,在对于其微结构机制、对光催化性能的促进机理、工作原理等方面,还是存在一定的未知。特别是直观而精准地从原子尺度和精细化学的结构的角度揭示二氧化钛显微结构对光催化产氢性能的影响还存在一定难度。这些问题在一定程度上阻碍了二氧化钛光催化材料的进一步发展和应用。

而电子显微学技术的飞速发展为这一挑战提供了机遇。透射电子显微镜(tem)以波长极短的电子束作为光源,用电磁透镜替代光学透镜,以至于分辨率可达0.2-0.1nm左右,而球差透射电子显微镜的分辨率更是达到了0.07nm以下。这使得在材料科学研究领域可以通过透射电镜揭示原子结构、晶体缺陷、化学成分分析等多方位显微结构信息。而精确直观地解析材料显微结构是解释材料结构与性能关系并优化材料制备工艺的先决条件。因此,本论文旨在通过透射电子显微技术在微观尺度、纳米尺度、甚至原子尺度上深入探究多种二氧化钛纳米材料的显微结构,并结合其光催化性能,探索其显微结构与光催化性能的关系并优化合成过程。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:

1),文献调研,了解国内外相关研究概况和发展趋势,了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系;

2),了解二氧化钛纳米材料的制备方法;

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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4-5周:学习并合成二氧化钛纳米材料;

第6-9周:学习透射电子显微镜,研究二氧化钛纳米材料电子显微结构,并分析数据;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] g. c. xie, k. zhang, b. d. guo, q. liu, l. fang, j. r. gong, graphene‐based materials for hydrogen generation from light‐driven water splitting,adv. mater2013, 25, 3820.

[2] a. kudo, y. miseki, heterogeneous photocatalyst materials for water splitting,chem. soc. rev2009, 38, 253.

[3] j. x. low, b. cheng, j. g. yu, m. jaroniec,carbon-based two-dimensional layered materials for photocatalytic co2 reduction to solar fuels,energy storage mater2015, 3, 24.

[4] h. tong, s. ouyang, y. bi, n. umezawa, m. oshikiri, j. ye,nano‐photocatalytic materials: possibilities and challenges,adv. mater2012, 24, 229.

[5] u. i. gaya, a. h. abdullah, heterogeneous photocatalytic degradation of organic contaminants over titanium dioxide: a review of fundamentals, progress and problems,j. photochem. photobiol2008, 9, 1.

[6] a. fujishima, x. zhang, d. a. tryk, tio2 photocatalysis and related surface phenomena,surf. sci. rep2008, 63, 515.

[7] e. keidel,farben-zeitung, die beeinflussung der lichtechtheit von teerfarblacken durch titanweiss,bcin1929, 34,1242.

[8] c. f. doodeve,j. a. kitchener, the mechanism of photosensitization by solids,trans. faraday soc34 (1938) 902.

[9] i. fujishima, k. honda, electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode,nature1972, 238, 37.

[10] k. hashimoto, h. irie, a. fujishima, tio2 photocatalysis: a historical overview and future prospects,japanese journal of applied physics2005, 44, 8269-8285.

[11] g. van tendeloo, s. bals, s. van aert, j. verbeeck, d. van dyck, advanced electron microscopy for advanced materials,advanced materials2012, 1-21.

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