氮掺杂石墨烯基复合光催化材料的制备及其CO2还原性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会的发展与进步，对化石燃料的过度依赖及其不可避免的消耗造成大量co₂的排放，导致全球温室效应问题十分突出，进而引起了人们对全球变暖和能源危机的日益关注。减少二氧化碳的途径主要有减排和对二氧化碳后处理。二氧化碳后处理分为深海掩埋/化学吸附储存和化学转化。化学转化之一是利用太阳能将二氧化碳还原为人类可以利用的现实资源。具体的以太阳能为能量，模仿植物光合作用，以人类自身过量排放的温室气体二氧化碳和地球上丰富的水资源为原料，将co₂ 通过光能量作用，还原生成各种蕴含能量的碳氢化合物，最终完成碳循环过程，实现人类发发展的能源需求和环境资源可持续利用的平衡发展。

目前,能量转换效率低是光催化co₂转换及能源化利用的主要瓶颈. 按照co₂转换的碳当量估算,光催化还原co₂效率达到10倍于植物光合作用的转换效率(平均0.5%),即能量转换效率达到5%才有可能取得大规模应用. 为实现这一目标,美国以及欧洲各国对光催化太阳能转换的研究给予了极大的关注.日本国家材料研究所成立了环境材料与能源材料研究部,重点研究光催化材料.最近,美国国家航空航天局提出的火星探索计划中,明确表明要利用转化co₂获得氧气. 可见,国际上光催化co2转换及能源化利用的研究竞争十分激烈。

半导体光催化材料不仅需要将光能转换为具有氧化-还原能力的光生电荷,同时也起到了降低反应活化能的作用.这与通常的催化反应中催化材料主要起降低反应活化能、提高反应速率作用有所区别. 此外,对于一种特定的光催化反应来说,光催化材料一旦确定,其氧化-还原电位即确定,这也是光催化反应不同于其他催化反应的重要特征之一.光催化材料的这一特点要求我们必须选择能级位置合适的半导体作为某一特定反应的催化材料,如此才能实现高效的反应动力学过程. 可见,光催化反应更为复杂,光生电荷经历了体相传输、半导体/电催化材料界面传输,电催化材料/电解液界面传输等多途径传输过程.光催化反应也因其电荷产生、传输的复杂性而具有多种能量损失过程:包括光生电荷体相复合、空间电荷层内复合、表面复合、界面复合等能量损失过程;同时,电荷在电催化层内传输需要克服电荷传输势垒以及电催化反应发生需要克服反应活化能。石墨烯作为一种由sp² 杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳纳米材料，具有突出的导热性能、力学性能、优异的导电性能以及巨大的比表面积。但是纯的石墨烯在应用上仍有缺陷，如活性位点不够，不具有选择性。因此，为了弥补石墨烯的缺陷，对石墨烯进行掺杂是一种有效的方法。掺杂可以打开石墨烯的能带隙，杂原子能影响石墨烯的酸碱特性，改变电化学性能和催化性能。在光催化应用中，将氮掺杂石墨烯与半导体复合能为解决光催化反应中的瓶颈问题提供可行途径。这一材料的应用对开发出具有较高光催化co₂还原活性且能尽量抑制其他竞争反应的光催化剂具有十分重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

（1）研究（设计）的基本内容

①文献调研，了解国内外相关研究进展和发展趋势；

②以商业聚氨酯海绵为模板，将其浸泡在氧化石墨烯分散液中30min后干燥，350 ^oc煅烧处理半小时得到三维氮掺杂石墨烯泡沫；

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，熟悉实验所需原料、仪器和设备。确定并讨论实验技术方案；

第3-7周：采用模板法制备三维氮掺杂石墨烯泡沫，以制备好的氮掺杂石墨烯泡沫为基底，采用水热法合成硫化铟锌纳米墙/氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化剂；

第8-10周：完成一系列硫化铟锌纳米墙/氮掺杂石墨烯泡沫复合光催化材料光催化co₂还原性能测试；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] z. jiang, h. sun, t. wang, et al. nature-based catalyst for visible-light-driven photocatalytic co₂ reduction [j]. energy environ. sci., 2018, 11: 2382-2389.

[2] f. xu, j. zhang, b. zhu, et al. cuins₂ sensitized tio₂ hybrid nanofibers for improved photocatalytic co₂ reduction [j]. appl. catal. b – environ., 2018, 230: 194-202.

[3]x. yin, p. sheng, f. zhong, et al. cds/znin₂s₄/tio₂ 3d heterostructures and their photoelectrochemical properties [j], new j. chem. 2016, 40: 6675–6685.