介孔TiO磁性光催化劑的制備

1、項目編號：吉林大學“大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目申請書項目名稱介孔Ti 0厶磁性光催化劑地制備項目負責人陳雨寧學院、年級、專業(yè) 材料學院2008級材料物理聯(lián)系電話指導(dǎo)教師姓名李曉天 職稱教授填表日期 2018 年4 月28 日吉林大學教務(wù)處制表填表說明一、吉林大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目申請書要按順序逐項填寫.填寫內(nèi)容要實事求是，講究誠信，不能有雷同；表達要明確、嚴謹. 空缺項要填“無”.要求一律用A4紙打印,于左側(cè)裝訂成冊.二、申請參加“吉林大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目團隊人數(shù)不 得超過5人1人為項目負責人，參與合作研究者4人以內(nèi)）.三、申請參加“吉林大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目地個人或團

2、隊必須聘請教師作為項目指導(dǎo)教師，并請指導(dǎo)教師在申請書上簽名.四、吉林大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目申請書由項目負責人所在學院初審，簽署意見后報送教務(wù)處實習與實驗教案科一式3份原件）.五、“項目編號”由教務(wù)處填寫項目名稱介孔Ti 02磁性光催化劑地制備申請經(jīng)費10000元）起止時間2018年6月至2018年6月負責 人教案號姓名年級所在學院、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail陳雨寧08級材料科學與項目學 院材料物理專業(yè)參加 成員王德超08級材料科學與項目學 院材料物理專業(yè)王留洋08級材料科學與項目學 院材料物理專業(yè)許森08級材料科學與項目學 院材料物理專業(yè)指導(dǎo) 教師姓名李曉天學院材料學院職稱教授E-mail

3、聯(lián)系電話簽名一、項目申請理由 包括項目背景及自身具備地知識、素質(zhì)、能力和已參加過地研究等條件） 項目背景：光催化技術(shù)是在 20世紀70年代誕生地基礎(chǔ)納M技術(shù)，典型地天然光催化劑就是我們常見地葉綠素,在植物地光合作用中促進空氣中地二氧化碳和水合成為氧氣和碳水化合物總地來說光催化技術(shù)是一種納 M仿生技術(shù)，用于環(huán)境凈化、自清潔材料、先進新能源、癌癥醫(yī)療、高效率抗菌等多個 前沿領(lǐng)域能作為光催化劑地材料眾多，包括二氧化鈦（TiO2、氧化鋅（ZnO、氧化錫（SnO2、二氧化鋯（ZrO2、硫化鎘（CdS等多種氧化物、硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦（Titanium Dioxide因其來源豐富、光照后不發(fā)生光腐蝕

4、、耐酸堿性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和較寬地帶隙能等特點成為世界上最 重要地光催化材料.二氧化鈦地光催化原理為：當它在受到太陽光或熒光燈地紫外線地照射后，內(nèi)部地電子就會發(fā)生激勵.其結(jié)果，就產(chǎn)生了帶負電地電子和帶正電地空穴電子使空氣或水中地氧還原，生成雙氧水，而空穴則向氧化表面水分子地方向起作用，產(chǎn)生氫氧 羥）基原子團這些都是活性氧，有著強大地氧化分解能力，從而能夠分解、清除附著在氧化鈦表面地各種有機物TiO2催化劑地吸附和光催化性能雖然具有很大優(yōu)越性，但在反應(yīng)后 尤其是液相體系）分離回收困難地問題卻一直沒有有效解決因為TiO2催化劑地吸附和光催化性能在很大程度上取決于其比表面積地大小，TiO2顆粒

5、越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越好，但也就造成了回收難地問題后來科學界提出，將TiO2包覆在不同地基體上，特別是磁性芯核上，形成地核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納M材料，在盡量不影響催化活性地前提下，利用磁方法解決回收問題于是帶有納 MFe3O4磁性核地介孔 TiO2復(fù)合光 催化劑，以其高比表面積、易于反應(yīng)物接近地孔道結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越地吸附性能，且在處理液相體系時遠遠優(yōu)于其他TiO2光催化劑地回收率，成為了當前光催化學科研究地熱點目前TiO2光催化劑已經(jīng)在環(huán)境保護和衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域采取應(yīng)用，并擁有廣泛前景如將TiO2光催化劑應(yīng)用在高樓大廈、高速公路兩旁地隔音墻、街道路燈等裝置上陽光紫外線）地照射就能夠清除積落在

6、上面地塵埃和污染物質(zhì)，如氧化氮、硫化物、氯化物等，不僅節(jié)省用以清掃地人力和財力，而且自然地凈化了環(huán)境在醫(yī)療方面，日本東麗公司應(yīng)用光催化劑開發(fā)地消臭纖維已然上市，可用來制作老人和醫(yī)院用床單、枕套等各種物品，也能夠制作食品包裝薄膜但是，TiO2光催化劑仍局限在固相方面應(yīng)用上，如能成功解決在液相體系中地回收問題，必將在工業(yè)合成提純方面及環(huán)保水資源等方面產(chǎn)生巨大推動自身具備地知識、素質(zhì)、能力和已參加過地研究：我小組由4名精明能干、對科學研究富有激情地同學組成，其中有一人獲得08-09 學年國家獎學金，兩人獲得校一等獎學金組內(nèi)多數(shù)成員已通過大學英語四級項目負責 人陳雨寧現(xiàn)任材料學院輔導(dǎo)員助理，08級班長

7、，09級副班主任，在08-09學年獲得國家 獎學金及院優(yōu)秀學生干部地榮譽稱號，具有良好地專業(yè)基礎(chǔ)及組織、協(xié)調(diào)能力 我們不 僅擁有扎實地理論基礎(chǔ) 在高等數(shù)學、普通物理、原子物理、有機化學、無機化學、物 理化學等科目取得優(yōu)異地成績）而且經(jīng)過化學、物理、電子線路等相關(guān)基礎(chǔ)實驗地訓(xùn) 練,具備一定地實驗?zāi)芰?我們小組思維活躍，善于團結(jié)合作并且擁有堅持不懈地品質(zhì)，相信在李曉天教授地 指導(dǎo)下,可以取得滿意地成果.二、項目研究內(nèi)容 目前研究地現(xiàn)狀、主要研究內(nèi)容_,重點和難點及可能地創(chuàng)新點_,研究思路和方法 等）目前研究地現(xiàn)狀二氧化鈦具有來源豐富、光照后不發(fā)生光腐蝕、耐酸堿性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和較寬地帶隙能

8、等特點，因而在化學合成、太陽能利用和環(huán)境污染處理等方面有著廣泛地用途，尤其是光催化方面地研究吸引了眾多研究者地興趣.TiO 2催化劑地吸附和光催化性能在很大程度上取決于其比表面積地大小非孔性TiO 2顆粒越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越好，但是在處理液相體系時，TiO： 顆粒太小會導(dǎo)致反應(yīng)后分離回收困難，這極大地阻礙了其工業(yè)應(yīng)用介孔TiO2所具有地高比表面積、易于反應(yīng)物接近地孔道結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越地吸附性能等，使其具有非孔性 TiO2所沒有地優(yōu)異性能近年來高結(jié)晶度和大比表面積地TiO 2在光催化方面地應(yīng)用已經(jīng)越來越突出但因為合成地介孔TiO 2仍然是粉體材料，粒度小，反應(yīng)后分離回收困難地問題仍

9、沒有有效解決TiO 2包覆在不同地基體上，特別是磁性芯核上，形成地核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納M材料有望徹底解決項目上分離回收難題可以利用材料所具有地磁性，在外加磁場下很容易實現(xiàn)分離但是因為在TiO2和鐵地氧化物之間存在晶格失配缺陷，導(dǎo)致電子-空穴再復(fù)合地機會增加，激子淬滅比率增加，材料地光催化活 性減弱為了保持磁性復(fù)合物光催化劑地光催化活性，可以在磁性粒子上進行包覆處理但是該方面地工作目前主要采用地是非孔性TiO 2，介孔TiO2與磁性芯核形成地核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納M材料尚未見報道鑒于介孔TiO2地優(yōu)異性能，所形成地復(fù)合材料較非孔性TiO2在光催化方面將有突破性提高，值得研究介孔TiO2地合成方法包括采用各種模

10、板劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，例如磷酸鹽、有機胺、嵌段共聚物、非離子表面活性劑和其它模板劑等地模板合成法和非模板法所選用地表面活性劑包括陰離子型表面活性劑 如烷基磷酸鹽、羧酸鹽）、非離子表面活性劑如有機胺、嵌段共聚物）、陽離子表面活性劑等介孔TiO 2地光催化活性遠高于納MTiO 2,但是并沒有解決催化劑回收困難地問題而帶有納MFe3O4磁性核地納 MTiO 2復(fù)合物雖然能實現(xiàn)磁回收，但是材料地光催化效率較介孔TiO?要低很多帶有納MFe3O4磁性核地介孔TiO2復(fù)合光催化劑地合成，理論上可以解決以上問題之所以要選用Fe3O4作為磁性核，是因為Fe3O4具有順磁性又綠色環(huán)保，不會帶來二次污染經(jīng)過科研人員地

11、努力，納 MFe3O4和介孔TiO2地合成已經(jīng)克服技術(shù)瓶頸，將二者復(fù)合技術(shù)上是可行地，意義重大主要研究內(nèi)容制備高質(zhì)量Fe3O4納M球,開展納MFe3O4包覆,包覆材料選用SiO2,形成納MFe3O4C地復(fù)合材料；以目標產(chǎn)物為核，開展介孔TiO 2包覆研究重點和難點及可能地創(chuàng)新點異質(zhì)匹配是要解決地重點和難點問題首先，F(xiàn)QO4芯核與C等過渡層物質(zhì)形成良好地異質(zhì)匹配 ，減少缺陷；其次，介孔TiO2與C等過渡層物質(zhì)也要形成良好地異質(zhì)匹配 ，減少缺陷把Fe3O4對介孔 TiO 2光催化活性地影響減小到最低程度可能地創(chuàng)新點在于:因為FQ04芯核地存在可進行磁回收,解決光催化劑回收難題；介孔TiO2較 非孔

12、TiO 2光催化性能更好，可以顯著提高所合成催化劑地光催化效率研究思路和方法首先合成高分散Fe3O4納M球 < 制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)有大量文獻報道），然后選取C材 料進行Fe3O4包覆.C地包覆多以蔗糖為前驅(qū)體碳源，真空或惰性氣體保護下熱分解形成C包覆層因為要求C包覆層要薄，需要控制蔗糖用量以及分解溫度與速度，并增加退火再晶化步驟最后進行介孔TiO2包覆,優(yōu)選合適地制備方法，實現(xiàn)介孔TiO2與C等過渡層物質(zhì)異質(zhì)匹配，形成最終目標材料選擇 合成方法地原則首先是能在相對溫和地條件下實現(xiàn)介孔TiO 2地合成，在此基礎(chǔ)上要保證不對芯核造成太大損害，保持其結(jié)構(gòu)完整有關(guān)方法：本研究課題地研究方

13、法包括溶膠-凝膠法、模板合成法、溶劑揮發(fā)法、水熱和溶 劑熱合成法、超聲波輔助法、微波消解法、程序控溫、退火及熱處理等實驗手段：包括稱量、加熱、攪拌、浸漬、水熱、退火、灼燒、腐蝕、離心以及各種材料表征和光催化實驗等手段注：此欄可附頁三、項目進度安排 <查閱資料、選題、自主設(shè)計項目研究方案、開題報告、實驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng) 計、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報告、參加結(jié)題答辯和成果推廣 等）此項目擬用一年時間完成，大體安排如下：2018 年 6-8 月：熟悉老師課題組環(huán)境與實驗條件，學習查閱并整理文獻，并進行認真總結(jié)向老師以及課題組地師 兄、師姐們學習實驗技巧與經(jīng)驗，盡快學會

14、如何進行研究工作 2018 年 8-9 月：在指導(dǎo)老師地指導(dǎo)下，在課題組前期工作基礎(chǔ)上，篩選出適合應(yīng)用于我們所設(shè)計材料地最佳方法，自主完成實驗設(shè)計并開始具體實驗探索2018 年 9-2018 年 5 月：運用計劃地方案做實驗，在實驗過程中仔細、及時記錄實驗過程、現(xiàn)象、試劑藥品等，表征實驗獲得地材料，分析實驗結(jié)果，并發(fā)表相關(guān)研究成果2018 年 5-6 月：填寫結(jié)題表、撰寫實驗論文和總結(jié)報告，項目驗收，參加結(jié)題答辯，撰寫科研論文*注：在實驗過程中，定期向老師和領(lǐng)導(dǎo)匯報實驗進度 四、擬利用資源 < 實驗室、儀器設(shè)備、實驗材料、資料等） 實驗室指導(dǎo)教師李曉天教授課題組所有地實驗室可以自由使用儀

15、器設(shè)備、實驗材料、資料等要完成此課題，制備和表征手段是必要地制備方面：李曉天教授課題組基本地儀器設(shè)備，包括磁力攪拌器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、高壓反應(yīng)釜、管式爐、馬福爐、真空烘箱、超聲波發(fā)生器、微波爐、離心儀、吸濾設(shè)備、旋轉(zhuǎn)涂膜機等，都已經(jīng)齊全；課題組還有一些比較貴重地制備設(shè)備，如高真空 CVD設(shè)備兩套、進口手套箱一套、電化學沉積反應(yīng)裝置二套等表征手段：SEM、TEM、EDX、吸附儀、XRD等是最重要地表征手段李曉天教授課題組所依 托單位吉林大學材料學院以及無機合成與制備化學國家重點實驗室有日本進口地JEOL JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡 <SEM ）和JEM-2018F型透射電子顯微鏡

16、<TEM ），配有EDX系統(tǒng)，由德國 留學歸來地專門從事電鏡工作地李吉學教授指導(dǎo)學生進行工作設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完畢，正平穩(wěn)運行固體NMR、CCD單晶分析儀、HREM、CHN、多功能吸附儀、差熱熱重儀、ICP元素分析儀、紅外光譜儀、XPS、磁性分析、真空吸附天平、ESR、熒光分析儀、XRD、紫外可見和工作站及軟件等儀器設(shè)備地使用已經(jīng)落實，可以有選擇地加以利用催化性能地研究與吉林大學化學院從事催化性能研究地王潤偉副教授合作進行，該研究室已經(jīng)建立起幾個光催化降解反應(yīng)模型，研究方法已經(jīng)成型我們負責提供催化劑，并參與催化工藝地研究東北師范大學物理學院光電技術(shù)研究所劉益春教授、邵長路教授組有完善地激光光譜

17、測試手段 李曉天教授課題組常年與之合作 以上資源我們可以有選擇地加以利用五、項目經(jīng)費預(yù)算與用途 購置實驗消耗材料 低值品）、資料、加工測試、打字復(fù)印、調(diào)研、 市內(nèi)公交、論文版面費、專利申請費等經(jīng)費開支）項目經(jīng)費預(yù)算與用途科目申請金額（單位：元備注實驗材料5000實驗用各種金屬鹽、有機模板劑、藥品、試劑 以及硅源、碳源等耗材地購置測試與分析3000用于樣品 TEM、SEM、EDX、XRD等表征及 性能測試資料費300購買書籍、文獻查詢等打印費200打印文獻、資料數(shù)據(jù)等調(diào)研費300相關(guān)領(lǐng)域地調(diào)查文章投遞費200發(fā)表文章時用于投遞版面費900發(fā)表文章所需地版面費交通費100用于到較遠工作地點地車費合

18、計10000六、項目預(yù)期成果 研究論文、設(shè)計、調(diào)研報告、申請專利、開發(fā)軟件、研制產(chǎn)品、項目鑒定 等）成果以論文形式在被SCI、El收錄地刊物或核心刊物上發(fā)表，提供實物樣品及材料 合成參數(shù)，另外,若可能還將在適當機會在國內(nèi)學術(shù)會議上報告研究成果與進展結(jié)題時提交研究報告七、項目誠信承諾本項目負責人和全體成員鄭重承諾 ，該項目研究不抄襲他人成果 ，不弄虛作假，按項目研究進度 保質(zhì)保量完成各項研究任務(wù) 項目負責人簽名：項目組成員簽名：年 月 日年 月 日八、指導(dǎo)教師意見 從項目科學性、前沿性、可行性、研究性、可操作性和成效性加以評價）本課題所涉及地幾種材料，包括高分散Fe3O4納M球、介孔TiO2、碳等地制備技術(shù) 已經(jīng)非常成熟,Fe3O4納M球包覆C,再包覆非孔性TiO2地工作都已經(jīng)有報