TiO2-Ni(OH)2复合纳米纤维光催化材料的制备及其光催化CO2还原性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，人类在享受科技迅速发展所带来的舒适和方便的同时，也面临着盲目发展和目光短浅而造成的生存环境不断恶化的严峻问题。一系列的环境污染问题已经严重威胁着人类的繁衍和生存，其中最普遍、最主要和影响最大的问题之一便是因温室效应产生的全球变暖。而co₂作为最为主要的温室气体，其在大气中浓度的不断上升已经引发了诸如海平面升高、冰川消融和极端天气频现等气候灾难。如何有效地控制大气中co₂的浓度是减缓乃至解决温室效应的关键，因此开发出转化利用co₂的实用技术，成为各国科研工作者的重要研究内容。^[1]同时，随着工业的迅猛发展，不断增长的化石燃料需求和持续减少的化石燃料储量之间的矛盾日益尖锐，co₂作为自然碳源，可通过还原生成有机化合物，对能源问题的解决具有宝贵的参考价值。综上所述，co₂既是一种温室气体，又是地球的重要碳源，其合理利用具有重要的现实意义。^[2]

现阶段co₂的还原多是以负载的过渡金属为催化剂，如金属fe、ni等附着在sio₂上可作co₂还原的催化剂，但是此类反应所采用的化学固定方法条件较为苛刻，还需要消耗大量清洁能源h₂。^[3]因此，光催化co₂还原因其可以在常温常压下反应，不需要一些还原性气体，并且无毒、无污染、不需要消耗电能以及热能稳定可以重复利用等诸多优点，成为各国科学家的研究热点。^[4]

利用光催化还原co₂的方法，可将co₂转化为诸如甲烷（ch₄）、甲醇（ch₄o）、甲酸（hcooh）等高价值的有机燃料，这种方法能够同时解决温室效应和能源短缺问题，具有相当广阔的应用前景。1979年，inoue等人首次提出在tio₂、zno、cds、gap、sic半导体的水悬浮液中，利用光催化还原co₂可以得到甲酸、甲醛和甲醇等产物。^[5]然而，光催化还原co₂是一个十分复杂和困难的过程。从热力学的角度分析，co₂转变为甲烷、甲醇和甲醛等物质是一个大量吸热的过程，在室温下反应极其不容易发生。^[6]从化学动力学角度分析，co₂得到一个电子被还原为co₂离子，这个还原反应的还原电势较高，达到-1.9 v。除此之外，由于co₂为直线状，而co₂离子为弯曲状，两者结构的差异导致一个电子转移的还原过程需要很高的动力学超电压，使得co₂还原反应不易进行。^[7]除此之外，反应效率低以及选择性差等原因，也让光催化co₂还原为碳氢化合物以及液体燃料成为一项艰巨的挑战。因此，本课题旨在为光催化co₂反应设计一种高效的光催化剂。

二氧化钛(tio₂)作为一种重要的无机功能材料，因其具有高光催化活性，良好的耐候性、耐腐蚀性、强紫外线屏蔽能力等优点，被认为是最有前途的光催化剂，各国学者也对其进行了深入研究。^[8-10]

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：采用静电纺丝法和原位生长法制备tio₂-ni(oh)₂复合纳米纤维光催化材料；

材料表征：采用材料分析与测试技术对所制备的光催化剂进行表征，具体包括x-射线衍射（xrd）、扫描电镜（sem）、透射电镜（tem）、n₂吸附-脱附、紫外-可见漫反射光谱（uv-vis drs）、光电子能谱（xps）等。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解tio₂光催化机理、tio₂-ni(oh)₂复合纳米纤维的性能和形成机理、co₂还原机理以及所需实验材料和仪器。确定实验方案，完成开题报告。

第4－7周：根据既定的实验内容与实验方案进行实验，采用静电纺丝法制备tio₂纳米纤维，并使用原位生长法制备tio₂-ni(oh)₂复合纳米纤维。查阅与实验内容相关的文献资料，完成5000字的外文文献翻译。

第8－10周：采用现代材料测试分析技术对制备的tio₂-ni(oh)₂复合纳米纤维样品进行co₂还原性能测试分析。

第11－13周：对材料进行表征，补充并完善实验数据，分析实验结果，并得出结论。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] hong j, zhang w, ren j, et al. photocatalytic reduction of co₂: a brief review on product analysis and systematic methods[j]. analytical methods, 2013, 5(5):1086-1097.

[2] piumetti m, fino d, russo n. photocatalytic reduction of co₂ into fuels: a short review[j]. journal of advanced catalysisence technology, 2014, 1(2):16-25.

[3] li k, an x, park k h, khraisheh m, tang j. a critical review of co₂ photoconversion: catalysts and reactors[j]. catalysis today, 2014, 224(0): 3-12.