开题报告20160310修改.doc

毕业设计（论文）开题报告论文题目： N掺杂石墨烯增强C3N4制氢性能的研究学生姓名： 徐顺秋 学 号： 0121214450208专业班级： 应化1202指导教师： 王苹教授时 间： 2016年3月1日武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）能源问题是当今世界尤为突出的一个问题。随着科技的日新月异以及生活水平的逐渐提高，人类对能源的需求越来越大。氢能作为一种清洁无污染的能源，如果可以安全而广泛的运用，对于解决能源短缺的问题将会有很大的帮助。1972年，日本学者Fujisima和Honda发现了在紫外灯辖射下，半导体TiO2可以分解水产生氢气1。在过去的几十年里，学者们已陆续报道TiO2、ZnS2、NaTaO33、Sr2Nb2O74、-Ge3N45及K2La2Ti3O106等光催化剂在紫外光照射下能够将水分解产生氢气。近年来，g- C3N4 作为一种新型制氢催化剂逐渐出现在大家的视线中.1989年，Liu和Cohen首次从理论上证实了氮化碳的存在，并通过计算推测出这种新型材料的晶体结构7。g- C3N4是一种由碳、氮原子相互交替形成六元环，六元环之间通过碳碳键相互连接形成的二维材料，由于极出色的电子性能、机械强度以及光学性能等引起了国内外学者的研究热潮8。2009年，王岗课题组首次将聚合物半导体类石墨相氮化碳（g- C3N4）应用于可见光光解水产氢并显示出优异的性能9，至此，石墨相氮化碳作为光催化剂其多方面优越的性能得到了全世界范围内的广泛关注。石墨烯是碳原子以sp2杂化呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，其表现出优异的电学、光学、热和机械性能通过化学或者物理方法将石墨烯进行修饰或改性可以改善石墨烯的性质，拓宽石墨烯的应用领域10。石墨烯作为复合材料的载体，能提高光催化剂制氢性能的主要原因是：石墨烯的比表面积大，可提供更多的活性位点，有很高的电子迁移率，能有效的转移光生电子并促进与空穴的分离11。例如，Xiang12等人通过浸渍-化学还原的方法制备了RGO/ g- C3N4复合 ，其中 1%RGO/ g- C3N4光催化制氢活性最高，是单纯g- C3N4的3.07 倍。为了进一步提升石墨烯的性能，除了对石墨烯进行控制形貌外，对石墨烯进行掺杂是另外一种有效的方法。掺杂可以打开石墨烯的能带隙，杂原子能影响石墨烯的酸碱特性，改变电化学性能和催化性能13。氮原子能诱导更多的正电荷到相邻的碳原子上，有效地提高阴离子交换性能和光催化活性，并且具有更优异的稳定性14。例如，Sheng15等采用无催化剂的热退火方法制各出了高氮掺杂含量的石墨烯，并在碱性介质中进行了ORR测试，结果表明该氮掺杂石墨烯材料具有比石墨烯更为优异的光电催化性能。利用氮掺杂的石墨烯作为电子传输的渠道来降低光生电子-空穴的复合，来提高光催化剂材料的光转化效率。本课题拟利用用氮掺杂的石墨烯来复合g- C3N4能进一步提升制氢的性能，并研究不同N含量的石墨烯对g- C3N4制氢性能的影响。2基本内容和技术方案 2.1实验流程图三聚氰胺 550煅烧4hg-C3N4 加入GO分散液 磁力搅拌1h混合分散液 加入不同含量的尿素磁力搅拌1h 水热法复合材料160 3h 性能测试及表征SEM+XRDUV-VisIRXPSTEM+制氢性能2.2 基本内容1.g-C3N4 的制备 称取一定量的三聚氰胺于坩埚中，将坩埚放入马弗炉中，在升温速率5min-1 550 下焙烧4 h，待坩埚冷却后取出，得到淡黄色粉末状的g-C3N4 16。2. 氮掺杂石墨烯复合g-C3N4材料的制备 (1)GO分散液的制备：氧化石墨烯0.5 g 搅拌下加入到1 L 蒸馏水中, 超声3 h ，浓度为0.5 mgmL-1的GO分散液. (2)N-GO/g-C3N4的制备： 取GO 分散液,加入上述制得的 g-C3N4，磁力搅拌1 h后，加入不同含量的尿素，磁力搅拌1 h后，将所得溶液转入聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中, 放在设置温度为160 oC的烘箱加热3 h，达到设定温度后开始计时。关闭烘箱后自然冷却, 得到固体,抽滤洗涤3次后干燥, 得到产物即为N-GO/g-C3N4。实验制备各样品所使用的原料量如下表所示。 表1 反应物用量样品编号尿素占GO质量比例（%）尿素溶液（0.0004g/ml）GO（ml）C3N4(g)水量（ml） C0000.19812GC0040.1988NGC2020140.1987NGC4040240.198 6NGC6060340.198 5（3）性能测试：在150 mL的中加入催化剂50 mg分散到100 mL含10 vol.%三乙醇胺的水溶液中。整个装置至于磁悬浮搅拌机上，反应过程中溶液一直处于搅拌状态。420 nm 的LED灯为光源照射，反应容器放置的位置距离光源20 cm，照射90 min后停止光照。光催化反应前，体系通氮气20 min，以便除去杂质气体，产生的H2含量由气相色谱取样分析。（4）测试表征： XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis、IR、Raman 等。2. 可行性分析（1） 已有大量文献，g- C3N4表明是一种高效的制氢催化剂，石墨烯的比表面积大，可提供更多的活性位点，有很高的电子迁移率，能有效的转移光生电子并促进与空穴的分离，氮掺杂的石墨烯作为电子传输的渠道来降低光生电子-空穴的复合，来提高光催化剂材料的光转化效率。两者复合可以极大的提升制氢的效率。（2） 实验方法直接简单，对实验室要求较小，指导老师王苹从事光催化及纳米材料的合成与表征多年，具有深厚的理论功底和丰富的实验经验，可以对本实验给予全面的指导。3.进度安排第一三周 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需实验条件。确定方案，完成开题报告。 第四八周 合成复合材料并探究N掺杂的量对制氢性能的影响第九十五周 性能测试和表征；撰写本科毕业论文并修改。第十六周 准备论文答辩。参考文献1.夏媛娇. CdS/g-C3N4的制备及其光催化制氢研究D. 大连: 大连理工大学 2015.2.Zeug, N., J. Buecheler, and H. Kisch, Catalytic formation of hydrogen and carbon-carbon bonds on illuminated zinc sulfide generated from zinc dithiolenesJ. Journal of the American Chemical Society, 1985. 107(6):1459-1465.3.Kato, H., K. Asakura, and A. Kudo, Highly Efficient Water Splitting into H2 and O2 over Lanthanum-Doped NaTaO3 Photocatalysts with High Crystallinity and Surface NanostructureJ. Journal of the American Chemical Society, 2003. 125(10):3082-3089.4.Kudo, A., H. Kato, and S. Nakagawa, Water Splitting into H2 and O2 on New Sr2M2O7 (M = Nb and Ta) Photocatalysts with Layered Perovskite Structures: Factors Affecting the Photocatalytic ActivityJ. The Journal of Physical Chemistry B, 2000. 104(3):571-575.5.Maeda, K., et al., Photocatalytic Properties of RuO2-Loaded -Ge3N4 for Overall Water SplittingJ. The Journal of Physical Chemistry C, 2007. 111(12):4749-4755.6.Ikeda, S., et al., Preparation of K2La2Ti3O10 by Polymerized Complex Method and Photocatalytic Decomposition of WaterJ. Chemistry of Materials, 1998. 10(1):72-77.7.金瑞瑞, et al., Fe掺杂g-C3N4的制备及其可见光催化性能J. 物理化学学报, 2014(09):1706-1712.8.马永宁. 单层石墨相氮化碳（g-C3N4）的制备及光催化性能研究D. 西安: 西北大学 2014.9.刘晓萍. g-C3N4基复合光催化剂的制备及其性能研究D. 济南: 山东大学 2015.10.李静, et al., 氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能J. 高等学校化学学报, 2013(04):800-805.11.王明芳, et al., Cu()助剂与石墨烯协同增强AgBr可见光光催化性能J. 无机化学学报, 2015(10):1981-1986.12.Xiang, Q., J. Yu, and M. Jaroniec, Preparation and Enhanced Visible-Light Photocatalytic H2-Production Activity of Graphene/C3N4CompositesJ. The Journal of Physical Chemistry C, 2011. 115(15):7355-7363.13.林婷婷. 氮掺杂石墨烯的制备及应用J. 功能材料, 2015(05):5007-5012.14.贾丽. N-掺杂石墨烯/CdS纳米复合物可见光下光解水制氢D. 合肥: 中国科学技术大学 2011.15.Sheng, Z.-H., et al., Catalyst-Free Synthesis