人工纳米材料论文提纲

论文题目：异质半导体纳米材料的合成与其在人工氮循环的应用

摘要：半导体纳米材料因其独特的电子结构而被广泛应用于催化能源转化和利用领域。与单组分半导体纳米材料相比,异质半导体纳米材料因异质材料的不同而在形貌、组分、结构等方面具有灵活的调控性。而且,构筑异质半导体纳米材料能有效调控其电子结构,进而提高其催化活性。设计和构筑异质半导体纳米材料,并研究异质结中电子结构的变化对其催化活性的影响规律,对于发展新的人工氮循环策略、开发新能源以及减少对化石能源的依赖具有重要意义。因此,本文以发展新的人工氮循环策略为导向,通过构筑异质半导体纳米材料,调控半导体的电子结构,来获得高活性的光电催化氧化水合肼促进析氢的光电催化剂、硝酸根选择性还原为氨的电催化剂以及氮气直接氧化制一氧化氮的光催化剂。主要研究内容归纳如下:1、通过在含有痕量氧的低真空条件下对样品进行热处理的方法,合成了氧梯度掺杂等级硫化镉纳米棒阵列（Grad-O CdS）。氧元素的梯度掺杂不仅减小了CdS的带隙,还在Grad-O CdS中构建了连续变化的内建电场,形成了内置弯曲的能带结构,诱导光生电子与空穴的定向转移,从而降低了其复合几率。Grad-O CdS作为光电阳极材料用于光电催化氧化水合肼促进析氢时,光电流密度可达6.0±0.1 mA cm-2且能稳定保持42小时以上。这种通过元素梯度掺杂构建半导体内置弯曲能带的方法为探索具有更高性能的光电催化材料提供了新的途径。2、通过气固相化学转化的方法,构筑了金属-半导体异质的钴/氧化亚钴纳米阵列（Co/CoO NSAs）异质结构,用于电催化硝酸根还原制氨。在Co/CoO NSAs异质结构中,金属Co与半导体CoO之间因构成了肖特基接触而存在肖特基整流效应,界面处电子由金属Co转移至半导体CoO,进而产生了缺电子态的Co。含有缺电子态的Co的Co/CoO NSAs在进行电催化硝酸根还原时,不仅可以抑制H2的产生,还能抑制副产物的形成,从而提高了产物氨的法拉第效率和选择性:93.8%和91.2%。该研究为发展利用电能来进行催化还原硝酸盐制氨的高效催化剂提供了新思路。3、构筑了具有直接Z型异质结的TiO2/WO3纳米棒,用于热辅助光催化氮气氧化合成一氧化氮。WO3导带上的光生电子会转移至TiO2并与其价带上的光生空穴结合,从而留下光生空穴在WO3上进行氧化反应而光生电子在TiO2上进行还原反应。Z型TiO2/WO3异质结界面的电子转移不仅可以促进光电荷的分离,而且可以促进界面WO3对N2的吸附以及中间体NO*的形成,进而使其表现出优异的性能。光催化产生的NO还被直接用来合成硝酸和精细化学品β-硝基苯乙烯,体现了该工作的广阔应用前景。

关键词：异质半导体材料;梯度掺杂;肖特基结;Z型异质结;人工氮循环

学科专业：物理化学

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 异质半导体纳米材料的类型及电子结构

1.2.1 异质半导体纳米材料的简介

1.2.2 半导体-半导体异质纳米材料

1.2.3 半导体-金属异质纳米材料

1.2.4 半导体-碳基材料异质纳米材料

1.2.5 多组分半导体异质

1.3 光电催化水分解概述

1.4 人工氮循环简介

1.4.1 人工合成氨

1.4.2 氮气氧化

1.4.3 氨氧化

1.4.4 硝酸根还原

1.5 本文的研究思路及内容

第2章 氧梯度掺杂的等级CdS纳米棒的设计合成及光电催化氧化肼促析氢性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验仪器及设备

2.2.2 实验材料和试剂

2.2.3 样品的制备

2.2.4 样品的表征

2.2.5 光电催化测试

2.2.6 理论计算

2.3 结果与讨论

2.3.1 前驱物ZnS-DETA的表征

2.3.2 Pristine CdS的晶体结构、形貌及组成表征

2.3.3 Grad-O CdS的晶体结构、形貌以及组成表征

2.3.4 氧的梯度掺杂对CdS光学性质的影响研究

2.3.5 Grad-O CdS的光电催化氧化水合肼促进析氢性能

2.3.6 Grad-O CdS高光电催化活性的理论研究

2.3.7 核壳结构的CdS@CdO的表征及光电催化性能

2.4 本章小结

第3章 肖特基整流效应的Co/CoO电催化还原硝酸根制氨性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验仪器和设备

3.2.2 实验材料和试剂

3.2.3 样品的制备

3.2.4 材料的表征

3.2.5 材料的电化学性能测试

3.2.6 原位电化学测试

3.2.7 离子浓度的检测方法

3.2.8 同位素标记实验

3.2.9 理论模拟计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 Co(OH)_2 NSAs的晶体结构和形貌表征

3.3.2 CoO NSAs的晶体结构和形貌表征

3.3.3 Co NSAs的晶体结构和形貌表征

3.3.4 Co/CoO NSAs的晶体结构和形貌表征

3.3.5 Co/CoO NSAs的电子结构表征

3.3.6 Co/CoO NSAs的电催化还原硝酸根性能测试

3.3.7 Co/CoO NSAs的电催化机理研究

3.4 本章小结

第4章 Z型TiO_2/WO_3的构筑及其热辅助光催化氧化氮气合成一氧化氮性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验仪器和设备

4.2.2 实验材料和试剂

4.2.3 样品的制备

4.2.4 材料的表征

4.2.5 热辅助光催化N_2氧化性能测试

4.2.6 原位合成硝酸和β-硝基苯乙烯

4.2.7 光催化量子效率(QE)的计算

4.2.8 理论模拟计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 WO_3 纳米棒的表征

4.3.2 异质的TiO_2/WO_3纳米棒的表征

4.3.3 TiO_2纳米片的表征

4.3.4 异质的TiO_2/WO_3纳米棒的能带结构表征

4.3.5 异质的TiO_2/WO_3纳米棒的热辅助光催化N_2氧化性能测试

4.3.6 TiO_2/WO_3异质结构的高催化活性来源分析

4.3.7 热辅助光催化产生的NO产物的应用研究

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢