【优秀硕士博士论文】二维碗形多孔阵列结构wo3光子晶体薄膜的可控制备和可见光催化活性研究

二维碗形多孔阵列结构WO3光子晶体薄膜的 可控制备和可见光催化活性研究,1 立项依据2 研究内容2.1 2.5 研究目标与研究内容2.6 拟解决的关键科学问题2.7 特色与创新之处3 可行性分析 4 年度计划与预期成果5 经费说明,提 纲,1 立项依据：意义,环境污染严重,半导体光催化剂作用机理,存在的问题：目前研究最多的为TiO2，但由于TiO2是一种宽禁带材料，锐钛矿TiO2光催化剂的禁带宽度为3.2eV，只能利吸收约占太阳光5%的紫外光， 这使其应用前景受到限制。,解决,1 立项依据：储量丰富,1 立项依据：合适的带隙和光稳定性,闰俊萍,张中太,唐子龙,等.半导体基纳米复合材料光催化研究进展.无机材料学报,2003,18(5): 980一989,1 立项依据：高效的光收集效率,1 立项依据：,提高光收集效率：光子晶体共振（PCR）,研究表明，光子晶体效应及反蛋白石结构中的多重散射效应可以大幅度提高 半导体材料光催化性能，无疑将对反蛋白石结构的应用产生十分重要的推动作用。,J. Liu, M. Z. Li, J. X. Wang, Y. L. Song, L. Jiang, T. Murakami, and A. Fujishima, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 9425Guangtao Li,* J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 20053,1 立项依据：相关进展,Xiaoqing Chen, Jinhua Ye, * ACS nano., 2011, 5, 4310.Masahiro Sadakane,* Wataru Ueda* , J. Mater. Chem., 2010, 20, 1811,1预研成果相关进展（二维碗形多孔阵列结构 光子晶体薄膜的可控制备和性质研究）,Xudong Wang, Zhong L. Wang,* Nano Lett., 2002, 5, 1784.Yu-Lun Chueh* , Lih-Juann Chen* , RSC Adv., 2012, 2, 1314.Xiaozhou Ye, Limin Qi,* J. Mater. Chem. C, 2013,1, 6112,2 研究内容,WO3自身光学性质与光子晶体光学特性的有效耦合,二维碗形多孔阵列结构WO3光子晶体薄膜,对污染物具有高效可见光催化降解性能的光学器件,2.1 研究目标,2 研究内容,2.2 高效可见光响应型二维碗形多孔阵列结构WO3光子晶体模型的模拟与构建,采用时域有限差分（FDTD）的方法，对其杂化复合结构进行理论模拟，优化条件，得到能有效耦合的条件。,2.3特定结构的胶体光子晶体薄膜的化学制备,首先通过乳液聚合或种子法，制备出具有不同粒径的高单分散性PS微球，通过旋涂的方法将其均匀铺展在亲水玻璃基板表面，形成具有不同光学禁带特征的二维光子晶体薄膜。,2 研究内容,2.4二维碗形阵列 薄膜的制备,2.5所构建二维碗形多孔阵列薄膜的结构表征及物化性能测试,1).以二维PS光子晶体薄膜为模版，通过将其铺展反应溶液的表面上，使半导体或贵金属纳米粒子在PS表面成核、结晶，并最终融合为碗形薄膜；2).通过将沉积有WO3薄膜的模版转移到其它反应液中，可以制备出WO3和其它半导体或贵金属材料复合的具有二维碗形多孔阵列结构的复合薄膜；3).同时也可以在反应液中加入贵金属或半导体纳米材料的反应物前躯体，从而制备出掺杂有其它无机纳米粒子的二维膜。,采用各种物化分析手段对所构建的薄膜体系进行结构表征，并进行相应的物理化学性能测试，特别是对于其光学性能的实验结果与理论模拟结果进行对照分析，提供反馈信息，最终达到所提出的目标。,2 研究内容,2.6 拟解决的关键科学问题在实验上实现理论模拟计算出的光子晶体禁带特征与半导体纳米粒子自身光学特性杂化最佳耦合效果实现光学器件的可控制备和高效可见光催化。,2.7 本项目的特色与创新之处可控制备的纯相或复合二维WO3碗形多孔阵列薄膜具有易于转移操作、表面积大、对光相应速度快等特点。本项目并不是二维薄膜光子晶体性质和纳米粒子光学性能的简单加和，其创新之处在于通过合理的结构设计、精确的实验制备和理论模拟，以期获得两种上述两种光学因素的最佳耦合，从而可靠提高材料的可见光催化性能。,3 可行性分析,工作基础申请人长期从事响应型光子晶体的功能分子设计合成及组装成器件以后相应功能的性质研究, 积累了丰富的研究工作经验。近年来我们课题组也开展了一些其它相关领域的研究工作，主要集中在光子晶体传感器、金属纳米结构材料的制备与表征等，相关研究工作的积累已为本项目研究方案的顺利实施奠定了坚实的基础。工作条件本课题组一直从事有机合成化学、胶体化学、材料物理化学和分子组装化学等领域的研究工作，取得了一系列创新型成果。本课题组拥有完善的有机合成及材料制备设施，包括真空沉积与刻蚀系统、多用途光电流测试仪、表面等离子共振谱、AFM/SEM、紫外可见光谱仪、荧光光谱仪、多用途高级显微镜和电化学工作站为化合物的分析和表征提供了良好的物质基础。所挂靠的清华大学化学系有机光电子与分子工程重点实验室是一个由院士领衔，长期从事各种有机光电子信息材料、功能纳米材料以及薄膜材料的研制和开发，承担多项自然科学基金和863、973等各项研究课题，取得了丰硕的研究成果。该实验室拥有的完备的材料制备和物理化学测试所需的硬件设备也可供本项目测试之用。申请人简介申请人王惠，清华大学化学系2012级博士生，2008年在上海大学化学系获得无机化学硕士 学位，2012年考入清华大学化学系攻读博士学位。主要从事超分子组装方面的研究。申请人在本项目的任务是总体实验设计、相关样品制备与表征、器件构建等。,4 年度研究计划及预期结果,2014年1月至2014年12月：利用乳液聚合或种子法，制备各种尺度的高单分散性PS微球，并利用旋转涂膜法在玻璃基地表面制备高质量的二维光子晶体薄膜。本年度，我们将于著名的光子晶体学家Ozin教授(加拿大多伦多大学)进行学术交流。2015年1月至2016年6月：以制备的二维PS光子晶体为模版，制备各种纯相、复合二维碗形多孔阵列WO3薄膜，并研究其可见光催化性能，同时采用模拟计算与实验相结合的方法，探索二维碗形