介孔TiO2磁性光催化剂的制备

项目编号：吉林大学“大学生创新性实验计划”项目申请书项目名称介孔TiO2磁性光催化剂的制备项目负责人陈雨宁学院、年级、专业材料学院2008级材料物理联系电话[phone]电子邮件[e-mail]指导教师姓名李晓天职称教授填表日期2010年4月28日吉林大学教务处制表填表说明一、《吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书》要按顺序逐项填写。填写内容要实事求是，讲究诚信，不能有雷同；表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。二、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目团队人数不得超过5人（1人为项目负责人，参与合作研究者4人以内）。三、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目的个人或团队必须聘请教师作为项目指导教师，并请指导教师在申请书上签名。四、《吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书》由项目负责人所在学院初审，签署意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。五、“项目编号”由教务处填写。-1项目名称介孔TiO2磁性光催化剂的制备申请经费10000（元）起止时间2010年6月至2011年6月负责人教学号姓名年级所在学院、专业联系电话E-mail16080109陈雨宁08级材料科学与工程学院材料物理专业[e-mail]参加成员16080131王德超08级材料科学与工程学院材料物理专业[e-mail]16080104王留洋08级材料科学与工程学院材料物理专业[e-mail]16080105许森08级材料科学与工程学院材料物理专业[e-mail]指导教师姓名李晓天学院材料学院职称教授[e-mail]联系电话[phone]签名一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力和已参加过的研究等条件）项目背景：光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说光催化技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化、自清洁材料、先进新能源、癌症医疗、高效率抗菌等多个前沿领域。能作为光催化剂的材料众多，包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物、硫化物半导体，其中二氧化钛(TitaniumDioxide)因其来源丰富、光照后不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定、无毒和较宽的带隙能等特点成为世界上最重要的光催化材料。二氧化钛的光催化原理为：当它在受到太阳光或荧光灯的紫外线的照射后，内部的电子就会发生激励。其结果，就产生了带负电的电子和带正电的空穴。电子使空气或水中的氧还原，生成双氧水，而空穴则向氧化表面水分子的方向起作用，产生氢氧（羟）基原子团。这些都是活性氧，有着强大的氧化分解能力，从而能够分解、清除附着在氧化钛表面的各种有机物。TiO2催化剂的吸附和光催化性能虽然具有很大优越性，但在反应后（尤其是液相体系）分离回收困难的问题却一直没有有效解决。因为TiO2催化剂的吸附和光催化性能在很大程度上取决于其比表面积的大小，TiO2颗粒越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越好，但也就造成了回收难的问题。后来科学界提出，将TiO2包覆在不同的基体上，特别是磁性芯核上，形成的核壳结构复合纳米材料，在尽量不影响催化活性的前提下，利用磁方法解决回收问题。于是带有纳米Fe3O4磁性核的介-2孔TiO2复合光催化剂，以其高比表面积、易于反应物接近的孔道结构以及优越的吸附性能，且在处理液相体系时远远优于其他TiO2光催化剂的回收率，成为了当前光催化学科研究的热点。目前TiO2光催化剂已经在环境保护和卫生医疗等领域采取应用，并拥有广泛前景。如将TiO2光催化剂应用在高楼大厦、高速公路两旁的隔音墙、街道路灯等装置上。阳光（紫外线）的照射就能够清除积落在上面的尘埃和污染物质，如氧化氮、硫化物、氯化物等，不仅节省用以清扫的人力和财力，而且自然地净化了环境。在医疗方面，日本东丽公司应用光催化剂开发的消臭纤维已然上市，可用来制作老人和医院用床单、枕套等各种物品，也能够制作食品包装薄膜。但是，TiO2光催化剂仍局限在固相方面应用上，如能成功解决在液相体系中的回收问题，必将在工业合成提纯方面及环保水资源等方面产生巨大推动。自身具备的知识、素质、能力和已参加过的研究：我小组由4名精明能干、对科学研究富有激情的同学组成，其中有一人获得08-09学年国家奖学金，两人获得校一等奖学金。组内多数成员已通过大学英语四级。项目负责人陈雨宁现任材料学院辅导员助理，08级班长，09级副班主任，在08-09学年获得国家奖学金及院优秀学生干部的荣誉称号，具有良好的专业基础及组织、协调能力。我们不仅拥有扎实的理论基础（在高等数学、普通物理、原子物理、有机化学、无机化学、物理化学等科目取得优异的成绩）而且经过化学、物理、电子线路等相关基础实验的训练，具备一定的实验能力。我们小组思维活跃，善于团结合作并且拥有坚持不懈的品质，相信在李晓天教授的指导下，可以取得满意的成果。-3二、项目研究内容（目前研究的现状、主要研究内容，重点和难点及可能的创新点，研究思路和方法等）目前研究的现状二氧化钛具有来源丰富、光照后不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定、无毒和较宽的带隙能等特点，因而在化学合成、太阳能利用和环境污染处理等方面有着广泛的用途，尤其是光催化方面的研究吸引了众多研究者的兴趣。TiO2催化剂的吸附和光催化性能在很大程度上取决于其比表面积的大小。非孔性TiO2颗粒越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越好，但是在处理液相体系时，TiO2颗粒太小会导致反应后分离回收困难，这极大地阻碍了其工业应用。介孔TiO2所具有的高比表面积、易于反应物接近的孔道结构以及优越的吸附性能等，使其具有非孔性TiO2所没有的优异性能。近年来高结晶度和大比表面积的TiO2在光催化方面的应用已经越来越突出。但由于合成的介孔TiO2仍然是粉体材料，粒度小，反应后分离回收困难的问题仍没有有效解决。TiO2包覆在不同的基体上，特别是磁性芯核上，形成的核壳结构复合纳米材料有望彻底解决工程上分离回收难题。可以利用材料所具有的磁性，在外加磁场下很容易实现分离。但是因为在TiO2和铁的氧化物之间存在晶格失配缺陷，导致电子-空穴再复合的机会增加，激子淬灭比率增加，材料的光催化活性减弱。为了保持磁性复合物光催化剂的光催化活性，可以在磁性粒子上进行包覆处理。但是该方面的工作目前主要采用的是非孔性TiO2，介孔TiO2与磁性芯核形成的核壳结构复合纳米材料尚未见报道。鉴于介孔TiO2的优异性能，所形成的复合材料较非孔性TiO2在光催化方面将有突破性提高，值得研究。介孔TiO2的合成方法包括采用各种模板剂和结构导向剂，例如磷酸盐、有机胺、嵌段共聚物、非离子表面活性剂和其它模板剂等的模板合成法和非模板法。所选用的表面活性剂包括阴离子型表面活性剂（如烷基磷酸盐、羧酸盐）、非离子表面活性剂（如有机胺、嵌段共聚物）、阳离子表面活性剂等。介孔TiO2的光催化活性远高于纳米TiO2，但是并没有解决催化剂回收困难的问题。而带有纳米Fe3O4磁性核的纳米TiO2复合物虽然能实现磁回收，但是材料的光催化效率较介孔TiO2要低很多。带有纳米Fe3O4磁性核的介孔TiO2复合光催化剂的合成，理论上可以解决以上问题。之所以要选用Fe3O4作为磁性核，是因为Fe3O4具有顺磁性又绿色环保，不会带来二次污染。经过科研人员的努力，纳米Fe3O4和介孔TiO2的合成已经克服技术瓶颈，将二者复合技术上是可行的，意义重大。主要研究内容制备高质量Fe3O4纳米球，开展纳米Fe3O4包覆，包覆材料选用SiO2，形成纳米Fe3O4@C的复合材-4料；以目标产物为核，开展介孔TiO2包覆研究。重点和难点及可能的创新点异质匹配是要解决的重点和难点问题。首先，Fe3O4芯核与C等过渡层物质形成良好的异质匹配，减少缺陷；其次，介孔TiO2与C等过渡层物质也要形成良好的异质匹配，减少缺陷，把Fe3O4对介孔TiO2光催化活性的影响减小到最低程度。可能的创新点在于：①由于Fe3O4芯核的存在可进行磁回收，解决光催化剂回收难题；②介孔TiO2较非孔TiO2光催化性能更好，可以显著提高所合成催化剂的光催化效率。研究思路和方法首先合成高分散Fe3O4纳米球（制备技术已经非常成熟，已经有大量文献报道），然后选取C材料进行Fe3O4包覆。C的包覆多以蔗糖为前驱体碳源，真空或惰性气体保护下热分解形成C包覆层。由于要求C包覆层要薄，需要控制蔗糖用量以及分解温度与速度，并增加退火再晶化步骤。最后进行介孔TiO2包覆，优选合适的制备方法，实现介孔TiO2与C等过渡层物质异质匹配，形成最终目标材料。选择合成方法的原则首先是能在相对温和的条件下实现介孔TiO2的合成，在此基础上要保证不对芯核造成太大损害，保持其结构完整。有关方法：本研究课题的研究方法包括溶胶－凝胶法、模板合成法、溶剂挥发法、水热和溶剂热合成法、超声波辅助法、微波消解法、程序控温、退火及热处理等。实验手段：包括称量、加热、搅拌、浸渍、水热、退火、灼烧、腐蚀、离心以及各种材料表征和光催化实验等手段。注：此栏可附页-5三、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）此项目拟用一年时间完成，大体安排如下：2010年6-8月：熟悉老师课题组环境与实验条件，学习查阅并整理文献，并进行认真总结。向老师以及课题组的师兄、师姐们学习实验技巧与经验，尽快学会如何进行研究工作。2010年8-9月：在指导老师的指导下，在课题组前期工作基础上，筛选出适合应用于我们所设计材料的最佳方法，自主完成实验设计并开始具体实验探索。2010年9-2011年5月：运用计划的方案做实验，在实验过程中仔细、及时记录实验过程、现象、试剂药品等，表征实验获得的材料，分析实验结果，并发表相关研究成果。2011年5-6月：填写结题表、撰写实验论文和总结报告，项目验收，参加结题答辩，撰写科研论文。*注：在实验过程中，定期向老师和领导汇报实验进度。四、拟利用资源（实验室、仪器设备、实验材料、资料等）实验室指导教师李晓天教授课题组所有的实验室可以自由使用。仪器设备、实验材料、资料等要完成此课题，制备和表征手段是必要的。制备方面：李晓天教授课题组基本的仪器设备，包括磁力搅拌器、旋转蒸发仪、高压反应釜、管式炉、马福炉、真空烘箱、超声波发生器、微波炉、离心仪、吸滤设备、旋转涂膜机等，都已经齐全；课题组还有一些比较贵重的制备设备，如高真空CVD设备两套、进口手套箱一套、电化学沉积反应装置二套等。表征手段：SEM、TEM、EDX、吸附仪、XRD等是最重要的表征手段。李晓天教授课题组所依托单位吉林大学材料学院以及无机合成与制备化学国家重点实验室有日本进口的JEOLJSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（SEM）和JEM-2010F型透射电子显微镜（TEM），配有EDX系统，由德国留学归来的专门从事电镜工作的李吉学教授指导学生进行工作。设备已经调试完毕，正平稳运行。-6固体NMR、CCD单晶分析仪、HREM、CHN、多功能吸附仪、差热热重仪、ICP元素分析仪、红外光谱仪、XPS、磁性分析、真空吸附天平、ESR、荧光分析仪、XRD、紫外可见和工作站及软件等仪器设备的使用已经落实，可以有选择地加以利用。催化性能的研究与吉林大学化学院从事催化性能研究的王润伟副教授合作进行，该研究室已经建立起几个光催化降解反应模型，研究方法已经成型。我们负责提供催化剂，并参与催化工艺的研究。东北师范大学物理学院光电技术研究所刘益春教授、邵长路教授组有完善的激光光谱测试手段，