稀土上转换纳米材料论文提纲

论文题目：稀土上转换发光材料以及新型半导体纳米复合光催化剂的制备及其性能研究

摘要：近年来,镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（UCNPs）的研究引起了人们的广泛关注。由于其独特的上转换发光性能,UCNPs在多个领域展示了潜在的应用前景,包括太阳能电池、细胞标记、生物成像、以及光动力治疗等。尽管有这些优点,但仍存在着一些缺陷,限制了传统UCNPs的应用。首先,由于敏化剂Yb3+在近红外区域的吸收较弱,使得能量转换效率较低。其次,由于980 nm激光是最常用的产生上转换发光（UCL）的近红外激发光源,而使用980 nm激光作为光源会产生过热效应,导致细胞和组织损伤,并且使得激发光对深层组织成像的穿透能力受到限制。为了克服这些问题,本论文设计和制备了含淬灭盾夹层结构的UCNPs,采用有机染料和Nd3+共敏化的方法,实现了 808 nm激发下显著增强的上转换发光。另一方面,全球环境和能源危机的持续恶化已成为一个严重的问题,引起世界各国的普遍关注。基于半导体的光催化通过光催化水裂解产生清洁能源氢气,以及利用太阳能降解有机污染物,是解决该问题的一种潜在策略。然而,目前应用最广泛、最具代表性的半导体光催化剂,如Ti02、ZnO等,在太阳光照射下只能对紫外光产生响应,并且量子效率较低,这极大地限制了它们的实际应用。因此,开发低毒、稳定性好、活性高的的新型光催化剂成为光催化领域的一个热点问题。本论文设计和制备了几种新型的g-C3N4基纳米复合光催化剂和多元金属硫化物光催化剂,采用多种手段对他们进行表征和性能测试,并研究了他们的光催化降解有机污染物和光催化制氢的性能,提出了可能的光催化活性增强的机理。上述工作为开发新型上转换发光纳米材料以及高效的半导体光催化剂提供了有用的参考资料。本论文的主要研究内容如下:（1）首先设计和制备了由Nd3+敏化的含淬灭盾夹层结构的UCNPs,合成了夹层结构的稀土上转换纳米粒子NaLuF4:Gd,Yb,Tm@NaLuF4:Gd,Yb@NaNdF4:Yb。该结构中在核层NaLuF4:Gd,Yb,Tm和壳层NaNdF4:Yb之间引入了过渡层NaLuF4:Gd,Yb作为阻止敏化剂Nd3+和激活剂Tm3+之间淬灭作用的保护盾,可以有效消除二者的交叉驰豫,同时通过以Yb3+为媒介的核-壳-壳界面,发生从敏化剂Nd3+到激活剂之间有效的能量转移。研究过渡层厚度对发光强度的影响,发现当过渡层厚度为5 nm时,发光强度达到最大,明显大于传统的以Yb3+为敏化剂的纳米晶的发光强度。（2）设计和制备了染料IR-820和Nd3+共敏化的含淬灭盾夹层结构的稀土上转换纳米粒子IR-820/UCNPs。固定在UCNPs表面的染料分子可以作为“天线分子”强烈吸收近红外光,进而有效地将激发能传递给Nd3+。含淬灭盾夹层结构的UCNPs可有效消除激活剂和敏化剂之间的交叉驰豫,同时最外壳层的Nd3+可以在808 nm激发下有效敏化UCNPs的上转换发光。结果表明,在808 nm激 发 下,IR-820 敏 化 的 上 转 换 纳 米 粒 子NaLuF4:Gd,Yb,Tm@NaLuF4:Gd,Yb@NaNdF4:Yb的上转换发光强度是纯上转换纳米粒子 NaLuF4:Gd,Yb,Tm@NaLuF4:Gd,Yb@NaNdF4:Yb 的 6 倍,并且是 980 nm 相同激光功率下激发的 NaLuF4:Gd,Yb,Tm@NaLuF4:Gd,Yb@NaLuF4:Yb 的10倍。该方法不仅可以提高对光的吸收和增强纳米晶的上转换发光,而且利用808 nm代替980 nm作为激发光源可以增加对生物组织的穿透深度,避免过热效应。（3）通过将UCNPs,纳米银和g-C3N4纳米片巧妙地组装到一个纳米结构中,成功制备了含有不同银负载量的UCNPs@SiO2@Ag/g-C3N4纳米复合物光催化剂。由于上转换纳米晶和银纳米粒子对g-C3N4的协同增强效应,拓宽了光谱响应范围并促进了光生电子空穴对的快速分离。实验结果表明,和单独的g-C3N4相比,所制备的复合物光催化剂在光催化降解RhB和光催化制氢上表现出明显增强的活性,其光催化降解RhB的速率常数和制氢速率分别是纯g-C3N4的10和12倍。本研究为同时利用上转发光和等离子体增强效应改性半导体光催化剂提供了一种可行的策略。（4）通过金属有机框架（MOFs）ZIF-67衍生得到Co9S8十二面体,然后在Co9S8十二面体表面生长ZnAgInS纳米片,设计和制备了不同Co9S8含量的新型异质结构纳米复合物C09S8@ZnAgInS。结果表明,Co9S8@ZnAgInS复合物的光催化活性明显高于单独的组分,当Co9S8的含量为5%时,CZ5%复合物具有最高的光催化活性,制氢速率为9395.3μmogl g-1 h-1,是ZnAgInS的4.3倍。复合物增强的光催化活性归因于这种具有空心结构和表面生长纳米片的异质结构可以促进电子空穴对的分离和转移,提供大的比表面积和大量的活性位点。本研究为利用MOFs材料设计制备高效纳米复合光催化剂提供了一种有效方法。（5）通过采用简便的水热法合成了银掺杂的新型量子点ZAGS,研究了银的掺杂量对ZAGS量子点的性能以及光催化降解RhB的活性的影响。结果表明,银含量的增加可以提高ZAGS量子点的可见光利用率,当摩尔比Zn:Ag:Ga=1:0.2:2时,光催化活性最高,进一步增加银的掺杂量,光催化活性降低。本研究为开发高效四元金属硫化物光催化剂提供了有价值的参考资料。

关键词：上转换纳米粒子;染料敏化;半导体光催化;g-C₃N₄;金属硫化物

学科专业：环境科学

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 稀土上转换发光材料

1.1.1 稀土上转换发光材料简介

1.1.2 提高上转换发光效率的方法

1.1.3 稀土上转换纳米材料的应用

1.2 g-C_3N_4光催化剂

1.2.1 g-C_3N_4光催化剂简介

1.2.2 g-C_3N_4光催化剂的结构与性能

1.2.3 g-C_3N_4光催化剂的制备

1.2.4 g-C_3N_4光催化剂的改性

1.3 金属硫化物光催化剂

1.3.1 金属硫化物光催化剂简介

1.3.2 金属硫化物光催化剂的制备

1.3.3 金属硫化物光催化剂的改性

1.4 论文的研究意义和主要研究内容

参考文献

第二章 808 nm激发的Nd~(3+)敏化的夹层结构上转换纳米晶的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 实验步骤

2.3.1 稀土三氟乙酸盐的制备

2.3.2 上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm的制备

2.3.3 不同壳层厚度的核壳结构上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb的制备

2.3.4 夹层结构的上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb@NaNdF_4:Yb的制备

2.3.5 上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb@NaLuF_4:Yb的制备

2.3.6 表征

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 样品的结构和形貌表征

2.4.2 样品的上转换发光性质

2.5 本章小结

参考文献

第三章 近红外有机染料敏化的夹层结构上转换纳米晶增强的上转换发光

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 实验步骤

3.3.1 夹层结构上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb@NaNdF_4:Yb的制备

3.3.2 上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb@NaLuF_4:Yb的制备

3.3.3 染料IR-820的合成

3.3.4 IR-820敏化的上转换纳米晶UCNPs/IR-820的制备

3.3.5 表征

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 染料IR-820的合成及表征

3.4.2 染料敏化上转换纳米晶的性质

3.4.3 染料敏化上转换纳米晶的上转换发光及机理

3.5 本章小结

参考文献

第四章 UCNPs@SiO_2@Ag/g-C_3N_4纳米复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验试剂与仪器

4.3 实验步骤

4.3.1 g-C_3N_4的合成

4.3.2 上转换纳米晶NaLuF_4:Gd,Yb,Tm@NaLuF_4:Gd,Yb的制备

4.3.3 UCNPs@SiO_2纳米粒子的制备

4.3.4 UCNPs@SiO_2@A_g纳米粒子的制备

4.3.5 UCNPs@SiO_2@A_g/g-C_3N_4纳米复合物的制备

4.3.6 Ag/g-C_3N_4纳米复合物的制备

4.3.7 表征

4.3.8 光催化降解RhB

4.3.9 光催化制氢

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 结构和形貌表征

4.4.2 性能表征

4.4.3 光催化降解RhB

4.4.4 光催化制氢

4.4.5 光催化反应机理

4.5 本章小结

参考文献

第五章 异质结构纳米复合物Co_9S_8@ZnAgInS的制备及其光催化性能的研究

5.1 引言

5.2 实验试剂与仪器

5.3 实验步骤

5.3.1 ZIF-67的制备

5.3.2 Co_9S_8的制备

5.3.3 纳米复合物Co_9S_8@ZnAgInS的制备

5.3.4 表征

5.3.5 光催化降解RhB

5.3.6 光催化制氢

5.4 实验结果与讨论

5.4.1 结构和形貌表征

5.4.2 性能表征

5.4.3 光催化降解RhB

5.4.4 光催化制氢

5.4.5 光催化反应机理

5.5 本章小结

参考文献

第六章 金属硫化物ZnAgGaS量子点的制备及其光催化性能的研究

6.1 引言

6.2 实验试剂与仪器

6.3 实验步骤

6.3.1 ZnAgGaS量子点的制备

6.3.2 表征

6.3.3 光催化降解RhB

6.4 实验结果与讨论

6.4.1 结构和形貌表征

6.4.2 性能表征

6.4.3 光催化降解RhB

6.4.4 光催化反应机理

6.5 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢