CdS摻雜TiO2納米電極的特性研究開題報告書

PAGE本科學生畢業(yè)論文（設計）開題報告題目CdS摻雜TiO2納米電極的光電特性研究姓名代龍云學號114110005院、系化學化工學院專業(yè)化學指導教師（職稱/學歷）王萍（副教授/碩士）2015年3月9日云南師范大學教務處制

填表說明1．指導教師意見由指導教師填寫；2．開題小組意見由開題指導小組負責人填寫；3．其余由學生在指導教師指導下填寫；4．論文（設計）題目CdS摻雜TiO2納米電極的光電特性研究學科分類（二級）150.30題目來源（a教師科研課題b教師指導選題c學生自主選題d其他）b題目類別（a基礎理論研究類b應用研究類c調查報告類d設計類e綜述類f其他）a本選題的依據(jù)：1）說明本選題的研究意義和應用價值2）簡述本選題的研究現(xiàn)狀和自己的見解近年來，全球都面臨著能源危機，因此可持續(xù)發(fā)展的理念愈顯重要。切實可行的實施我國能源可持續(xù)發(fā)展這一策略，要做到五個方面：提高化石燃料的利用率、利用清潔轉換技術；開源節(jié)流，保障石油和天然氣的供應；加大發(fā)展核電和水電的力度；堅持不懈的促進可再生能源的利用；加大研發(fā)新型能源。目前在化石燃料日趨減少的情況下，新能源的開發(fā)與利用成為研究的重點。清潔無污染、并且資源豐富的太陽能作為一種新能源的研究對象，成為探索研究的一個熱點。目前對太陽能應用的研究主要從對廢水的催化降解處理、光電催化分解水制備最清潔能源—氫能、太陽能電池等方面進行探索[1]。自1976年J.H.Cary等人[2]報道了在紫外線照射下，納米TiO2可使難降解的有機化合物多氯聯(lián)苯脫氯的光催化氧化水處理技術后，引起各國眾多研究者的普遍重視。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO2或ZnO迅速降解，特別是當水中有機污染物濃度很高或用其他方法難降解時，這種技術有著明顯的優(yōu)勢。納米TiO2不但具有納米材料的特性，還具有優(yōu)良的光催化性能，可以分解有機廢水中的鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機酚類、酚類等以及空氣中的甲醛、甲醇、丙酮等有害污染物為二氧化碳和水。納米TiO2在環(huán)境污染治理方面發(fā)揮著越來越大的作用。TiO2是一種重要的無機功能材料，具有優(yōu)異的光催化活性、光學特性、熱導性能、化學穩(wěn)定性等特性。廣泛應用于光催化劑、太陽能轉化、傳感器、水解制氫、化妝品、抗菌材料、表面涂層和聚合物填料等，尤其在太陽能電池中的應用尤為顯著[3]。近年來，隨著納米科學技術與納米光電子技術的研究興起，人們逐漸意識到利用各種納米結構材料所具有的優(yōu)異光伏性質，設計和制作太陽能電池，是全面實現(xiàn)“高效率、低成本、高穩(wěn)定性”太陽能電池的一條有效途徑。例如，量子阱結構具有靈活的帶隙可調諧能力，納米電極與陣列結構具有低反射率和強抗反射特性,納米薄膜具有良好的光吸收特性,納米TiO2結構具有靈活的光敏化特性,尤其是各類量子點和納米晶粒在強光激發(fā)下具有多激子產(chǎn)生能力,因而使得納米TiO2會在未來第三代太陽能電池的發(fā)展中展現(xiàn)出自己的獨特魅力[4]。TiO2納米半導體材料具有優(yōu)良的光電轉化和光催化性能，是材料科學和界面化學研究的熱點之一[5]。納米TiO2具有高的催化活性、大的比表面積、高的化學穩(wěn)定性及無毒價廉等優(yōu)點，被廣泛應用于光催化降解各種有機污染物[6]。然而，由于納米TiO2自身存在一些問題，限制了其在生產(chǎn)領域的實際應用。具有光催化活性的銳鈦礦型TiO2，禁帶寬度(3.2eV)較大，屬于寬帶半導體，只能吸收波長小于387nm的紫外光，不能吸收太陽光中占能量大部分的可見光，影響了其在太陽能電池方面的應用。另外，光催化作用能夠降解有機污染物的主要原因是：納米材料被能量高于其帶隙的光源激發(fā)后，處于價帶的電子能夠躍遷到導帶，從而形成電子一空穴對。這些光生電子和空穴和表面的水和氧氣作用，生成具有強氧化能力的羥基自由基(—OH)和超氧離子自由基（O2一)等，這些自由基與有機污染物作用，最終將其降解為CO2和H2O等。在光催化過程中，這些光生載流子很容易重新復合，影響光催化效率。因此，如何提高納米TiO2的可見光吸收效率和電子與空穴的有效分離成為當前研究的重點問題，也是促進納米TiO2實際運用的一個關鍵問題[7-8]。提高TiO2光電性能的主要方法有摻雜改性、貴金屬沉積、染料光敏化、窄帶隙半導體（CdS等）摻雜等手段[1]。摻雜改性分為兩大類：金屬元素摻雜和非金屬離子摻雜，兩種摻雜方式所起到的作用有所不同。半導體用金屬元素摻雜，一方面半導體材料的能級結構可以改變，另一方面電子和空穴可以盡快分離。非金屬離子摻雜能夠使半導體材料的激發(fā)光由紫外光區(qū)擴展到可見光區(qū)，實現(xiàn)直接利用太陽能中絕大部分可見光的可能。因此,很多非金屬離子摻雜TiO2，使其具有可見光響應[4]。貴金屬沉積的目的是為了捕獲半導體激發(fā)出的光生電子。常用的貴金屬沉積的金屬元素有Au、Pt、Pd、Ag等。其中以Pt和Ag最為常見。這些貴金屬具有表面等離子共振效應，能夠直接吸收太陽光中的可見光。當貴金屬元素沉積在半導體材料表面時，在貴金屬上產(chǎn)生的光生電子會躍遷至半導體材料上，從而使催化劑具有可見光活性。研究表明，此方法被認為可以取得更好的催化降解效果，因為在對TiO2進行改性時，降解不同的環(huán)境污染物時選擇了不同的貴金屬進行沉積[9]。光敏化作用是指采用物理或化學吸附的方法將光敏材料吸附到半導體表面。這些光敏材料在可見光照射下能產(chǎn)生激發(fā)，激發(fā)電子可以與氧分子發(fā)生反應，生成O２－活性基團，從而提高光催化反應速率，既光催化物質的加入擴展了TiO2的光響應波長，提高了太陽光的利用率。研究發(fā)現(xiàn)，各種有機染料如玫瑰紅、曙紅、葉綠素、赤鮮紅B等及一些貴金屬的氯化物等都可作為光敏化劑使用。敏化劑的作用主要集中在兩個方面：提高電子空穴對的分離效率和擴展TiO2的光響應波長范圍[10]。硫化鎘（CdS）作為一種常見的窄禁帶（2.25eV)半導體，用其摻雜TiO2納米電極能夠有效提高光電極對太陽光的利用效率。通過摻雜改性，對窄帶隙半導體有如下要求：禁帶寬度比TiO2的更小，且導帶的能級比TiO2的高，即比TiO2更負。CdS半導體（禁帶寬度為2.25eV）同時滿足這兩個要求，被廣泛研究。當TiO2與CdS復合在一起，在波長大于387nm的光照射時，CdS首先被激發(fā)，CdS價帶上的電子被激發(fā)，躍遷到其導帶上，又由于CdS導帶的電位更高，其上的電子又遷移到TiO2的導帶上，而光生空穴依舊在CdS的價帶上。當波長小于387nm的光照射TiO2時被激發(fā)。因此通過CdS的摻雜不僅擴展了光響應范圍，紅移至可見光去，并且實現(xiàn)了光生電子-空穴的有效分離，降低了其復合的幾率[1]。采用CdS摻雜TiO2電極有如下優(yōu)點：CdS與TiO2復合后并不會改變TiO2的結構，所以其特性得到保持；在不同能級的半導體之間發(fā)生電荷的躍遷，從而減小了電子空穴對的復合幾率，提高了量子效率；CdS與TiO2結合的很牢固，從而保證了催化劑的穩(wěn)定性；CdS具體良好的釋氫活性，電極對可見光的吸收能力得到改善，可以達到百分之十以上的光電轉化效率[11]。本選題在已有研究的基礎上，采取不同的方法用CdS摻雜TiO2納米電極，對其進行改性。然后對摻雜的CdS/TiO2電極進行一系列的光電特性表征，選出最佳的摻雜方法。研究的主要內容：1.TiO2電極摻雜CdS的實驗條件優(yōu)化2.對CdS摻雜的TiO2電極進行測試表征主要研究方法：文獻法，觀察法，討論法、實驗比較法、控制變量法、作圖法、分析法等。研究進度計劃：1．2014年10月—12月，選題、查資料。2．2015年2月—3月，撰寫并修改開題報告及小綜述。3．2015年4月—5月，進行實驗，得出結論，撰寫論文。4．2015年6月，進行論文答辯。

主要參考資料：[1]魏玉潔.TiO2/CdS復合光電極的制備、改性及廣電特性研究[D].山東:曲阜師范大學,2014.[2]李奇,陳光巨.材料化學[M](第2版)北京:高等教育出版社,2010,348-350.[3]史慧賢.納米光催化劑的制備及其性能研究[D].天津:天津大學,2011.[4]李梅靜.CdS/Na2Ti3O7.CdS/TiO2納米線的制備及其性能研究[D].吉林:吉林大學,2014.[5]ZhangMingfu,DobriyalP,ChenJiun-Tai,etal.Wettingtransitionincylindricalaluminanar.oporeswithpolymermelts[J].NanoLetters,2006,6(5):1075-1079.[6]KonstantinouIK,AlbanisTA.TiO2AssistedPhotocatalyticDegradationofAzoDyesinAqueousSolution:KineticandMechanisticInvestigationsaReview[J].AppliedCatalysisB-Environmental,2004,49(1):1-14.[7]張含平,林原,周曉文，王正平，張寶宏.CdSe敏化TiO2納米晶多孔膜電極的制備及其光電性能研究[J].現(xiàn)代化工,2006,26(11):39-40.[8]法文君,李品將,樊靜珂.N摻雜納米TiO2的快速合成及其光催化活性研究[J].河北化工，2011,34(7):62-64.[9]MunozA.G,LewerenzJ.Advances