1. 研究目的与意义
利用植物叶片自身碳化和限域作用，合成叶片拟态铁氧合物纳米薄层材料。研究铁氧合物吸收太阳光能受激发产生光生电子-空穴的机制，阐明铁氧合物半导体导带、价带和能带间隙受碳纳米薄层的影响规律，揭示材料的可见光吸收效率与结构之间的关系，设计并构建高效利用太阳能的叶片拟态半导体光催化材料；研究光催化材料结构对CO2和H2O分子的吸附能力，分析CO2选择性产物及转化效率与材料结构、反应物浓度、催化剂用量和光照条件之间的内在联系，阐明以叶片拟态铁氧合物纳米薄层为光催化剂的人工光合作用机理，构建以可磁性回收的叶片拟态材料为太阳能转化材料的高效人工光合作用体系，缓解温室效应，推动经济与社会的和谐发展。
2. 研究内容和预期目标
本文以水草和植物叶脉为生物模板，将其浸渍于不同浓度的前驱体溶液中，浸渍后经乙醇清洗、干燥，并经高温煅烧得到碳化硅或碳化铁材料。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、N2脱吸附等测试手段对样品进行了表征。
通过本论文实验将使学生熟悉制备方法的基本原理、实验装置的操作技术以及所制备材料的微观组织形貌表征方法。3. 研究的方法与步骤
实验所用的主要原料：水草，无水乙醇（分析纯），TEOS（分析纯），去离子水，硝酸铁（分析纯），盐酸（分析纯）。 实验所用主要仪器：KQ-100E型超声波清洗器，DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱，DF-101S集热式磁力加热搅拌器，TE313S-DS电子天平，BSA224S电子天平，SXL型程控箱式电炉，S-4800场发射扫描电子显微镜，D8 Focus X射线衍射仪， Micromeritics ASAP 2010C N2脱吸附仪，JEM 2010高分辨率透射电子显微镜，SDF Q600热重分析仪， ESCALAB 250型X-射线光电子能谱，RJ-TDL-40B 低速台式离心机，TU-1901 双光束紫外可见分光光度计，IRPrestige-21型傅立叶红外光谱仪，SHB-Ⅲ循环水式真空泵，79-1磁力加热搅拌器，培养皿，烧杯，胶头滴管，量筒，镊子，锥形瓶，玻璃棒。 具体方法： 1前期准备 （1）将采集得到的水草超声清洗干净，经盐酸活化，乙醇浸泡，备用； （2）将采集到的三叶草置于玻璃培养皿中，用去离子水多次洗涤后放入电热恒温鼓 风干燥器中，40 ℃干燥2小时； （3）称取适量的TEOS（或硝酸铁）、无水乙醇，将其溶于20 mL的去离子水中配成溶液，配制四份相同的溶液，并将溶液分别倒入装有模板的培养皿中。 |
2浸渍 （1）将称得的4份水草（或桂花叶脉）分别浸入到上述玻璃培养皿中，密封保存，置于阴凉干燥处。 （2）浸渍三天后，将水草（或桂花叶脉）用镊子取出，用去离子水洗涤三次后移入瓷坩埚，并标记好浸渍液的浓度及浸渍的天数，再置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥，烘箱40 ℃加速烘干20 min后放入玻璃培养皿于超净工作台中自然风干。 3煅烧 （1）将风干的水草（或桂花叶脉）放入标记好的坩埚并置于管式炉中煅烧，煅烧温度设为550℃，以2℃/min的升温速率，缓慢升温至550℃，550℃下保温120min，得到样品。 （2）用镊子小心的取出煅烧生成的薄片状样品，将其置于样品袋中封口，备用。 4样品表征 （1）XRD表征 将制备的纳米材料的用X射线衍射法(XRD)进行物相分析。XRD测量参数为：Cukα辐射线(波长λ=0.15418 nm)；用弯曲石墨晶体单色器滤波，工作电压40 kV；工作电流200 mA；扫描速度5 ℃/min，步长0.020；扫描范围2 θ=20 -70 。 （2）形貌和尺寸表征 利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察纳米材料样品的表面形貌和尺寸，工作电压设为15 kV，样品均匀的撒在衬底上，经过表层镀金处理后放入扫描电镜中。 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察纳米粒子晶体结构，灯丝为六硼化镧，加速电压200 kV，样品超声分散在乙醇中，然后滴在微栅上，最后放入高分辨透射电镜中。 （3）热分析 采用热重分析(TG)和差示扫描量热分析技术(DSC)对前驱体进行表征，使用SDT Q600热重示差扫描量热仪（美国Perkin Elmer公司）对氧化物前驱体/花瓣复合物进行了热分析。其测试条件：升温速率10 K/min；空气气流量24 mL/min；进样量约为2 mg；温度范围35～750 ℃。 （4）比表面及孔结构测定 纳米材料的比表面积和孔结构的测定是全自动氮气吸附仪上完成的。使用Micromeritics ASAP 2010C型N2吸附脱附曲线分析仪（美国Micromeritics公司）测定了产物的比表面积及孔分布。在测试前，所有样品都在150℃的高真空条件(10-5Torr)下预处理2h，然后在液氮温度(77K)下用N2吸附法测得样品的BET比表面积或吸附-脱附等温线。根据测得的等温线，用Barrett-Emmett-Teller(BET)方法计算比表面积，同时根据Berret-Joyner-Halenda(BJH)模型计算孔体积和孔径分布。 |
4. 参考文献
[1] lou x w, archer l a, yang z c. hollow micro-/nanostructures: synthesis and applications [j]. advanced materials , 2008, 20: 1-33.
[2] davis s a, burkett s l, mendelson n h, mann s. bacterial templating of ordered macrostructures in silica and silica-surfactant mesophases [j]. nature, 1997, 385: 420-423.
[3] sotiropoulou s, sierra-sastre y, mark s s, batt c. biotemplated nanostructured materials [j]. chemistry of materials, 2008, 20(3): 821-834.
5. 计划与进度安排
1.2022-12-22～2022-02-28查阅文献，制定实验方案，完成开题报告
2.2022-03-01～2022-04-01熟悉生物模板法制备氧化铁的制备工艺，利用生物模板，合成具有分级的氧化铁多孔结构。
3.2022-04-01～2022-05-01 对材料进行表征，研究氧化铁材料磁学性能
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