CdS掺杂TiO2纳米电极的特性研究开题报告书

PAGE本科学生毕业论文（设计）开题报告题目CdS掺杂TiO2纳米电极的光电特性研究姓名代龙云学号114110005院、系化学化工学院专业化学指导教师（职称/学历）王萍（副教授/硕士）2015年3月9日云南师范大学教务处制

填表说明1．指导教师意见由指导教师填写；2．开题小组意见由开题指导小组负责人填写；3．其余由学生在指导教师指导下填写；4．论文（设计）题目CdS掺杂TiO2纳米电极的光电特性研究学科分类（二级）150.30题目来源（a教师科研课题b教师指导选题c学生自主选题d其他）b题目类别（a基础理论研究类b应用研究类c调查报告类d设计类e综述类f其他）a本选题的依据：1）说明本选题的研究意义和应用价值2）简述本选题的研究现状和自己的见解近年来，全球都面临着能源危机，因此可持续发展的理念愈显重要。切实可行的实施我国能源可持续发展这一策略，要做到五个方面：提高化石燃料的利用率、利用清洁转换技术；开源节流，保障石油和天然气的供应；加大发展核电和水电的力度；坚持不懈的促进可再生能源的利用；加大研发新型能源。目前在化石燃料日趋减少的情况下，新能源的开发与利用成为研究的重点。清洁无污染、并且资源丰富的太阳能作为一种新能源的研究对象，成为探索研究的一个热点。目前对太阳能应用的研究主要从对废水的催化降解处理、光电催化分解水制备最清洁能源—氢能、太阳能电池等方面进行探索[1]。自1976年J.H.Cary等人[2]报道了在紫外线照射下，纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯的光催化氧化水处理技术后，引起各国众多研究者的普遍重视。迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO迅速降解，特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法难降解时，这种技术有着明显的优势。纳米TiO2不但具有纳米材料的特性，还具有优良的光催化性能，可以分解有机废水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酚类、酚类等以及空气中的甲醛、甲醇、丙酮等有害污染物为二氧化碳和水。纳米TiO2在环境污染治理方面发挥着越来越大的作用。TiO2是一种重要的无机功能材料，具有优异的光催化活性、光学特性、热导性能、化学稳定性等特性。广泛应用于光催化剂、太阳能转化、传感器、水解制氢、化妆品、抗菌材料、表面涂层和聚合物填料等，尤其在太阳能电池中的应用尤为显著[3]。近年来，随着纳米科学技术与纳米光电子技术的研究兴起，人们逐渐意识到利用各种纳米结构材料所具有的优异光伏性质，设计和制作太阳能电池，是全面实现“高效率、低成本、高稳定性”太阳能电池的一条有效途径。例如，量子阱结构具有灵活的带隙可调谐能力，纳米电极与阵列结构具有低反射率和强抗反射特性,纳米薄膜具有良好的光吸收特性,纳米TiO2结构具有灵活的光敏化特性,尤其是各类量子点和纳米晶粒在强光激发下具有多激子产生能力,因而使得纳米TiO2会在未来第三代太阳能电池的发展中展现出自己的独特魅力[4]。TiO2纳米半导体材料具有优良的光电转化和光催化性能，是材料科学和界面化学研究的热点之一[5]。纳米TiO2具有高的催化活性、大的比表面积、高的化学稳定性及无毒价廉等优点，被广泛应用于光催化降解各种有机污染物[6]。然而，由于纳米TiO2自身存在一些问题，限制了其在生产领域的实际应用。具有光催化活性的锐钛矿型TiO2，禁带宽度(3.2eV)较大，属于宽带半导体，只能吸收波长小于387nm的紫外光，不能吸收太阳光中占能量大部分的可见光，影响了其在太阳能电池方面的应用。另外，光催化作用能够降解有机污染物的主要原因是：纳米材料被能量高于其带隙的光源激发后，处于价带的电子能够跃迁到导带，从而形成电子一空穴对。这些光生电子和空穴和表面的水和氧气作用，生成具有强氧化能力的羟基自由基(—OH)和超氧离子自由基（O2一)等，这些自由基与有机污染物作用，最终将其降解为CO2和H2O等。在光催化过程中，这些光生载流子很容易重新复合，影响光催化效率。因此，如何提高纳米TiO2的可见光吸收效率和电子与空穴的有效分离成为当前研究的重点问题，也是促进纳米TiO2实际运用的一个关键问题[7-8]。提高TiO2光电性能的主要方法有掺杂改性、贵金属沉积、染料光敏化、窄带隙半导体（CdS等）掺杂等手段[1]。掺杂改性分为两大类：金属元素掺杂和非金属离子掺杂，两种掺杂方式所起到的作用有所不同。半导体用金属元素掺杂，一方面半导体材料的能级结构可以改变，另一方面电子和空穴可以尽快分离。非金属离子掺杂能够使半导体材料的激发光由紫外光区扩展到可见光区，实现直接利用太阳能中绝大部分可见光的可能。因此,很多非金属离子掺杂TiO2，使其具有可见光响应[4]。贵金属沉积的目的是为了捕获半导体激发出的光生电子。常用的贵金属沉积的金属元素有Au、Pt、Pd、Ag等。其中以Pt和Ag最为常见。这些贵金属具有表面等离子共振效应，能够直接吸收太阳光中的可见光。当贵金属元素沉积在半导体材料表面时，在贵金属上产生的光生电子会跃迁至半导体材料上，从而使催化剂具有可见光活性。研究表明，此方法被认为可以取得更好的催化降解效果，因为在对TiO2进行改性时，降解不同的环境污染物时选择了不同的贵金属进行沉积[9]。光敏化作用是指采用物理或化学吸附的方法将光敏材料吸附到半导体表面。这些光敏材料在可见光照射下能产生激发，激发电子可以与氧分子发生反应，生成O２－活性基团，从而提高光催化反应速率，既光催化物质的加入扩展了TiO2的光响应波长，提高了太阳光的利用率。研究发现，各种有机染料如玫瑰红、曙红、叶绿素、赤鲜红B等及一些贵金属的氯化物等都可作为光敏化剂使用。敏化剂的作用主要集中在两个方面：提高电子空穴对的分离效率和扩展TiO2的光响应波长范围[10]。硫化镉（CdS）作为一种常见的窄禁带（2.25eV)半导体，用其掺杂TiO2纳米电极能够有效提高光电极对太阳光的利用效率。通过掺杂改性，对窄带隙半导体有如下要求：禁带宽度比TiO2的更小，且导带的能级比TiO2的高，即比TiO2更负。CdS半导体（禁带宽度为2.25eV）同时满足这两个要求，被广泛研究。当TiO2与CdS复合在一起，在波长大于387nm的光照射时，CdS首先被激发，CdS价带上的电子被激发，跃迁到其导带上，又由于CdS导带的电位更高，其上的电子又迁移到TiO2的导带上，而光生空穴依旧在CdS的价带上。当波长小于387nm的光照射TiO2时被激发。因此通过CdS的掺杂不仅扩展了光响应范围，红移至可见光去，并且实现了光生电子-空穴的有效分离，降低了其复合的几率[1]。采用CdS掺杂TiO2电极有如下优点：CdS与TiO2复合后并不会改变TiO2的结构，所以其特性得到保持；在不同能级的半导体之间发生电荷的跃迁，从而减小了电子空穴对的复合几率，提高了量子效率；CdS与TiO2结合的很牢固，从而保证了催化剂的稳定性；CdS具体良好的释氢活性，电极对可见光的吸收能力得到改善，可以达到百分之十以上的光电转化效率[11]。本选题在已有研究的基础上，采取不同的方法用CdS掺杂TiO2纳米电极，对其进行改性。然后对掺杂的CdS/TiO2电极进行一系列的光电特性表征，选出最佳的掺杂方法。研究的主要内容：1.TiO2电极掺杂CdS的实验条件优化2.对CdS掺杂的TiO2电极进行测试表征主要研究方法：文献法，观察法，讨论法、实验比较法、控制变量法、作图法、分析法等。研究进度计划：1．2014年10月—12月，选题、查资料。2．2015年2月—3月，撰写并修改开题报告及小综述。3．2015年4月—5月，进行实验，得出结论，撰写论文。4．2015年6月，进行论文答辩。

主要参考资料：[1]魏玉洁.TiO2/CdS复合光电极的制备、改性及广电特性研究[D].山东:曲阜师范大学,2014.[2]李奇,陈光巨.材料化学[M](第2版)北京:高等教育出版社,2010,348-350.[3]史慧贤.纳米光催化剂的制备及其性能研究[D].天津:天津大学,2011.[4]李梅静.CdS/Na2Ti3O7.CdS/TiO2纳米线的制备及其性能研究[D].吉林:吉林大学,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]张含平,林原,周晓文，王正平，张宝宏.CdSe敏化TiO2纳米晶多孔膜电极的制备及其光电性能研究[J].现代化工,2006,26(11):39-40.[8]法文君,李品将,樊静珂.N掺杂纳米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