燕山大学化工开题报告.doc

燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：TiO2-石墨烯复合材料的制备及光催化性能的研究 学院（系）： 里仁学院 年级专业： 08级化工一班 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2012年3月 13日 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 众所周知，印染、化工、制药、造纸、冶金等行业废水中含有的大量有机污染物严重威胁着自然生态环境。目前降解水中有机污染物的污水处理技 术主要有液膜分离法1、气液两相放电法2、生物化学法3、高级氧化法4、颗粒活性炭法5等，成本过高及二次污染等问题一直困扰着人们，因此开发一种新型绿色环保价格低廉的新技术就显的尤为重要6。 半导体材料具有半导体材料具有特殊高效的光催化性能，可将光能转化为化学能，在环境保护尤其是废水处理方面具有广泛的应用前景。在众多半导体材料中，TiO2由于其具有催化活性好、稳定性强、无毒等优点，成为研究的热点1976年，Carey等人7报道了在紫外光照射下，纳米 TiO2可使多氯联苯脱氯。这项开拓性的工作为光催化在降解水中污染物方面的发展奠定了一定的基础。l987年，Mattews等人8利用TiO2对水中3、4种有机污染物进行处理，发现最终产物是CO2和H2O等小分子物质。至今，人们已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外光照射下被TiO2迅速降解，尤其是在对高浓度和难生化降解的有机物废水的处理方面，这种光催化降解技术具有更加明显的优势9。TiO2是一种宽带隙半导体(32 eV，anatase)。只吸收紫外光，而紫外光在太阳光中只占很少一部分所以改善TiO2,半导体材料在可见光区域的吸收可提高其光催化活性。掺杂是提高TiO2，在可见光区域的吸收以及光催化活性的有效途径之一。其中非金属掺杂如C、N、S等的掺杂均有报道。这些掺杂离子进入锐钛矿型TiO2晶格，占据氧位置，或成为间隙离子，降低带隙宽度，或形成杂质能级，使掺杂后TiO2的光吸收扩展至可见光区域。影响TiO2光催化活性的另一个重要因素是光生电子-空穴的复合，由于光激发TiO2产生的电子空穴对极易复合，所以降低光生载流子的复合也可以提高TiO2光催化效率。研究发现，半导体材料如（CdS）等与TiO2复合或者贵金属纳米颗粒修饰也可以提高光生载流子分离效率及光吸收率从而提高TiO2光催化效率10 。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 石墨烯是由碳原子通过sp2杂化构成的单层蜂窝状二维网格结构11, 由于石墨烯优异的电学、光学和机械性能，以及石墨烯广泛的应用前景，石墨烯的发现者Geim教授和Novoselov博士被授予2010年度诺贝尔奖12。石墨烯的发现对当时的物理认知产生了巨大冲击同时点燃了希望,作为一种独特的二维晶体，石墨烯有着非常优异的性能：具有超大的比表面积理论值为2630m2/g 13机械性能优异杨氏模量达1.0TPa14热导率5300Wm-1K-1是铜热导率的10多倍几乎完全透明对光只有2.3%的吸收在电和磁性能方面具有很多奇特的性质如室温量子霍尔效应15-16双极性电场效应铁磁性、超导性及高的电子迁移率这些优异的性质使得石墨烯在晶体管太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景制备高质量的石墨烯和促进石墨烯的应用是石墨烯领域的研究热点17。目前，国内外石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原方法。还有其它一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术，静电沉积法和高温高压合成法等。其中氧化石墨还原法制备的石墨烯成本较低，最有可能实现石墨烯规模化制备。这种方法得到的为石墨烯氧化物(GO),还需要进一步还原才能得到石墨烯。通常使用化学方法，如肼或者硼氢化钠使石墨烯还原，而这种方法向溶液中引入了杂离子，并有较大毒性，不利于石墨烯的进一步应用。我们拟采用TiO2光催化还原石墨烯氧化物，得到一种TiO2-石墨烯复合纳米材料，再以此为光催化剂，来降解有机污染物。前面讲过，石墨烯具有非常良好的导电性，TiO2光照后产生的光生电子会转移到石墨烯上，从而提高电子和空穴的分离，进而提高TiO2的光催化活性。 本实验主要是想要探索将石墨烯与二氧化钛复合后产生的复合材料对于有机物光降解的效果。三、研究步骤、方法及措施 本实验采用Hummers方法制得氧化石墨烯再用TiO2水溶胶将其还原得到复合的材料在进行表征最后进行降解有机物性能研究。1. 先将天然石墨用Hummers方法18氧化成氧化石墨2. TiO2纳米材料溶胶凝胶法的制备溶胶凝胶法一般以钛醇盐及其相应的溶剂为原料加入少量水及不同的酸和络合剂等，经搅拌和陈化制成稳定的无色透明水溶胶 19。3. 将上述制得的原料以一定比例在超声下混合均匀，在进行光催化还原制得复合材料10。4. 得到的二氧化钛掺杂石墨烯(TiO2-GR)复和光催化材料再通过x射线衍射(XDR)、透射电镜(TEM)、紫外可见光谱(UV-vis)等手段进行了表征20。5. 最后，我们以该材料对有机染料亚甲基蓝在紫外及可见光下进行光催化降解实验。四、研究工作进度 周次1-3周4-8周9-12周13-15周16-17周应完成的内容1、 文献综述2、 开题报告实验仪器和药品准备实验过程确认每周总结一次实验研究石墨烯的制备二氧化钛凝胶的制备复合材料的制备实验研究复合材料的表征复合材料降解有机物的性能研究数据处理完成毕业论文五、主要参考文献1 杨耀彬,周端文.应用液膜分离法处理工业废水概况J.天津化工,2004,18 (4):7-9. 2 王晓明,李艳红.气液两相放电水处理技术及装置综合评述J.高电压技术,2008,34(6):1236-1240. 3 邓李玲,曲秀华,程保生,等.生物化学法处理林可霉素生产废水的工艺研究J.水处理技术,2008,34(6):23-25.4 刘洪涛,徐冠华,朱果逸.先进水处理技术研究进展J.水处理技术,2008,34(4):1-7. 5 周娟娟,胡中华,刘亚菲,等.生物活性炭纤维的制备及其水处理J.新型炭材料,2006,21(1):64-69.6 高甲,朱志远,丁士文,等.纳米复合薄膜光催化降解模拟染料废水研究J.科学技术与工程,2011,28(11):6726-6729.7 Carey J H,Lawrence J,Tosine H M.Photodechlrination of PCBs in the Presence of Tianium Dioxide in Aqueous SuspensionJ.Bull Environ Contam Toxicol,1976,16:697-701. 8 Mattews R W.Photo-Oxidation of Organic Material in Aqueous Suspensions of Titanium Dioxide J.WaterRes,1990,24(5):653. 9 尹晓敏,程永清.纳米二氧化钛光催化剂在废水处理中的应用J.纳米材料与应用,2005,2(3):10-14.10 张晓燕,李浩鹏,崔晓莉.TiO2石墨烯复合材料的合成及光催化分解水产氢活性J.无机化学学报,2009,25(17):1903-1907.11 Allen M J, Tung V C, Kaner R B. Honeycomb carbon: A review of grapheneJ. Chemical Reviews, 2010,110(1):132-145.12 Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon filmsJ.Science,2004,306(5696):666-669.13 杨全红,唐致远.新型储能材料-石墨烯的储能特性及其前景展望J.电源技术,2009,33(4):241-244.14 Lee C,Wei X D, Kysar J W, et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene J. Science,2008,321(5887):385-388.15 Zhang Y B, Tan Y W,Stormer H L,et al.Experimental observation of the quantum Hall effect and Berrys phase in grapheneJ.Nature,2005,438(7065):201-204.16 Novoselov K S, Jiang Z, Zhang Y, et al. Room-temperature quantum hall effect in grapheneJ.Science,2007,315(5817): 1379.17 崔同湘,吕瑞涛,康飞宇.从石墨烯的制备及其应用研究进展看2012年度诺贝尔物理学奖J.科技报道,2010,28(24):23-28.18 Hummers W S, Offeman R E. Preparation of graphitic oxide J.Journalof the Ameriacan Chemical Society,1958,80