朱振涛开题报告Word文档下载推荐.docx

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专业年级

10级新能源材料与器件

指导教师

谢娟

职　称

讲师

单　　位

西南石油大学材料科学与工程学院

辅导教师

职称

完成日期

年

月

日

1、绪论2

1.1研究的目的与意义2

1.2国内外研究现状2

2、技术路线4

2.1项目的研究内容4

2.2技术路线4

2.3工艺流程5

2.4可行性分析7

3、预期结果7

4、工作进度安排8

5、参考文献8

1、绪论

1.1研究的目的与意义

随着全球工业化进程的推进，环境污染不断加剧。

各种各样的工业废水肆意地排放，严重危害人类的身体健康。

传统的污水处理技术，并不能完全满足新形势下的水处理需求。

自1972年Fujishima首次发现TiO2电极光电解水以来[1]，以半导体材料为基础的光催化技术引起了学术界的广泛关注。

水溶液中有机分子的降解是光催化技术研究的主要方向之一，许多学者对TiO2、ZnO、WO3、CdS、SnO2和Fe2O3等半导体材料的光催化性能进行了研究[2,5]。

这些高效的光催化剂能够有效地降解废水中的有机物，最终将其分解为CO2和H2O等形式，显著降低了这些有机物对环境的危害。

1.2国内外研究现状

通过研究发现，半导体材料特有的禁带特征，使其在特定频率光照射下，可产生电子-空穴对。

光催化降解有机物就是利用光生空穴的氧化性，使有机物分子链断裂，从而达到降解的目的。

在此过程中，空穴将吸附于半导体表面的水氧化，生成OH•自由基，OH•自由基降解与其接触的有机物。

若有机物在半导体表吸附，则也可能被空穴直接氧化，如图1所示。

然而，对整个光催化降解过程的光电流、降解量以及催化剂表面的吸附行为三者间关联性没有进行深入研究。

图1光催化降解有机物原理

目前，提高光催化降解污水效率多采用元素掺杂和染料敏化的方法。

这些研究都是通过调节带隙结构，利用可见光提高光生电子-空穴对的浓度，从而提高光催化剂的降解效率。

然而，半导体内的光生电子-空穴对却往往容易复合而降低光催化效率。

因此，提高光催化效率一方面要促进电子-空穴对的形成，另一方面要尽可能阻止其复合。

此外，光催化降解甲基橙过程中，甲基橙及降解产物分子在光催化剂表面的吸附会影响光催化过程及光生电流强度。

所以，建立可行的方法研究光催化降解过程中光催化效率、光电流强度及催化剂表面吸附三者关系具有重要的理论意义。

电化学石英晶体微天平（EQCM）技术是在传统的液相石英晶体微天平（QCM）技术基础上发展起来的新型检测技术。

在电化学过程的分析研究中具有非常好的应用前景，已开始得到越来越广泛的应用。

EQCM可以用来监测光催化过程中光催化剂表面的质量变化。

规则的石英晶体具有固定的特征振荡频率，当晶片上由于吸附或沉积其它物质之后，其振荡频率将发生变化，且其振荡频率与其表面物质的质量变化成反比例关系。

因此，利用EQCM可在石英晶片上沉积惰性金属电极，再在金属上组装低维材料，则可以实现光催化过程中的电化学测量，同时还可以通过测量石英振荡频率，来实时监控光催化降解过程中低维材料表面吸附有机物的质量变化规律，其精度可以达到纳克级（10-9g）。

本课题将利用EQCM技术研究光催化机理。

通过在EQCM芯片上组装ZnO微器件，再利用EQCM实时监控光催化降解过程中光催化剂表面吸附质量、光电流强度，结合光催化效率测试，得到低维ZnO微器件光催化降解甲基橙过程中降解效率与光生电流强度的内在联系。

2、技术路线

2.1项目的研究内容

本课题主要通过在电化学石英晶体微天平（EQCM）芯片上制备ZnO微器件，运用ZnO微器件光催化降解甲基橙溶液，实时监测光生电流、光催化降解量和光催化剂表面吸附量，进而得到光催化降解量与光生电流、光催化剂表面吸附量之间的关系。

具体研究内容如下：

（1）、光催化降解过程中降解量、光生电流和催化剂表面吸附量三者之间的内在联系研究在无外加偏压的情况下，实时监测光催化降解过程中甲基橙的降解量和光生电流的变化情况，得到光生电流与降解量之间的对应关系，并研究甲基橙浓度和光源等因素对光催化降解量和光生电流之间的关联性的影响规律；

通过实时监测光催化降解过程中ZnO微器件吸附量的变化，研究吸附量与光催化降解量及光生电流之间的关系。

2.2技术路线

本项目的技术流程图如图：

2.3工艺流程

本课题拟在EQCM芯片表面组装不同形貌的低维ZnO材料，从而得到低维ZnO微器件，并用其光催化降解甲基橙溶液。

在此过程中运用电化学测试技术实时监测光电流变化，并利用石英晶体微天平监测降解过程中光催化剂表面的吸附量变化规律，运用分光光度计法测试光催化降解量和降解效率。

具体采用的研究方法如下：

（1）低维ZnO微器件的制造

采用水热法，通过控制反应物浓度、反应物种类、反应温度和反应时间，在EQCM上制备不同微观形貌和尺寸的低维ZnO材料，从而制成低维ZnO微器件EQCM芯片结构示意图如图3所示，低维ZnO材料生长在芯片正面的金膜电极上。

（2）光催化降解量、光生电流以及催化剂表面吸附量之间的内在联系研究利

用电化学工作站实时监测降解过程中光生电流的变化。

图4为电化学测试系统示意图。

在不施加外电压的情况下，分别测定光态和暗态下3%的NaCl溶液的光电流-时间曲线1，以此作为参比曲线；

将一定量的甲基橙溶于3%的NaCl溶液中，测定光电流-时间曲线2。

图5为曲线1、2的示意图。

通过对比曲线1和2可

知，曲线2中光电流的增量正是由于光催化作用引起的；

同时，采用分光光度计法实时监测光催化降解量和降解效率，得到光催化降解量与降解时间的关系。

结合光电流-时间曲线2，可以建立光催化降解量与光电流之间的关系。

（3）光催化降解过程中光催化剂表面吸附规律的研究利用电化学石英晶体微天平实时监测芯片表面吸附量的功能，测定光催化降解甲基橙过程中EQCM芯片质量变量-时间曲线，结合光电流-时间曲线以及光催化降解量-时间曲线，得到光生电流、光催化降解量以及光催化剂表面吸附量三者的关系，揭示三者之间的内在联系。

2.4可行性分析

通过实时监测光催化降解过程中光生电流和催化剂表面的吸附量，同时测试甲基橙的光催化降解量，建立光电流与光催化降解量、表面吸附量三者探讨光电流、催化剂表面吸附规律与光催化降解量的内在联系低维ZnO微器件的制造建立光催化降解量与光生电流的内在联系光催化剂表面吸附规律研究结题，撰写结题报告间的关系，从理论上是可行的。

前期在运用ZnO光催化降解甲基橙、低维ZnO光生电流测量及石英晶体微天平测试方面已有积累，运用这些方法进行研究具有可行性。

3、预期结果

3.1能在石英晶体微天平上制得均匀的低维ZnO材料；

3.2得到ZnO光催化降解甲基橙的效率与光电流强度的关联性；

3.3撰写论文并翻译相关英文文献。

4、工作进度安排

5参考文献

[1]Fujishima.Electrochemicalphotolysisofwateratasemiconductorelectrode[J].Nature,1972,238（7）,37-38.

[2]JuanXie,HuWang,MingDuan,etal.SynthesisandphotocatalysispropertiesofZnOstructureswithdifferentmorphologiesviahydrothermalmethod[J].AppliedSurfaceScience,257,2011,6358-6363.

[3]DiLi,HajimeHaneda.Photocatalysisofsprayednitrogen-containingFe2O3-ZnOandWO3-ZnOcompositepowdersingas-phaseacetaldehydedecomposition[J].JournalofPhotochemistryandPhotobiologyA:

Chemistry,2003,160（3）,203-212.

[4]E.Dvininov,M.Ignat,P.Barvinschi,etal.NewSnO2/MgAl-layereddoublehydroxidecompositesasphotocatalystsforcationicdyesbleaching[J].JournalofHazardousMaterials,2010,177（1-3）,150-158.

[5]YuyingHuang,FengqiangSun,TianxingWu,etal.PhotochemicalpreparationofCdShollowmicrospheresatroomtemperatureandtheiruseinvisible-lightphotocatalysis[J].JournalofSolidStateChemistry,2011,184（3）,644-648.

[6]M.Miyauchi,A.Nakajima,T.Watanabe,etal.Photocatalysisandphotoinducedhydrophilicity

ofvariousmetaloxidethinfilms[J].ChemicalMaterials,2002,14,2812.

[7]R.Asahi,T.Morikawa,T.Ohwaki,etal.Visible-LightPhotocatalysisnNitrogen-DopedTitaniumOxides[J].Science,2001,293,269-271.

[8]DavidJ.Norris,AlexanderL.Efros,StevenC.Erwin.DopedNanocrystals[J].Science,2008

[9]K.Tennakone,G.K.R.Senadeera,V.P.S.Perera,etal.Dye-SensitizedPhotoelectrochemical

CellsBasedonPorousSnO2/ZnOCompositeandTiO2FilmswithaPolymerElectrolyte[J].ChemicalMaterials,1999,11,2474-2477.

[10]JianhangQiu,MinGuo,XidongWang.ElectrodepositionofHierarchicalZnONanorod-NanosheeSructuresandTheirApplicationsinDye-SensitizedSolarCells[J].ACSAppliedMaterialsInterfaces,2011,3（7）,2358-2367.

[11]XunyuYang,AbrahamWolcott,GongmingWang.Nitrogen-DopedZnONanowireArraysforPhotoelectrochemicalWaterSplitting[J].NanoLetters,2009,9（6）,2331-2336.

[12]R.Fujisawa,S.Tsujikawa.Photo-protectionof304stainlesssteelwithTiO2coating[J].MaterialsScienceForum,1995,185-188,1075-1081.

[13]M.C.Li,S.Z.Luo,P.F.Wu,etal.PhotocathodicprotectioneffectofTiO2filmsforcarbonsteelin3%NaClsolutions[J].ElectrochimicaActa,2005,50,3401-3406.

[14]G.X.Shen,Y.C.Chen,L.Lin,etal.Studyonahydrophobicnano-TiO2coatinganditspropertiesforcorrosionprotectionofmetals[J].ElectrochimicaActa,2005,50,5083.

[15]MichaelGrä

tzel.Photoelectrochemicalcells[J].Nature,2001,414（15）:

328-344.

[16]HuYu,ShanqingZhang,HuijunZhao,etal.High-PerformanceTiO2PhotoanodewithanEfficientElectronTransportNetworkforDye-SensitizedSolarCells[J].JournalofPhysicalChemistryC2009,113,16277-16282.