铋烯的制备及光催化还原CO2性能的研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着工业的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，随之而来的是化石能源的消耗越来越大，co₂的排放量与日俱增。根据国际能源署（iea）统计，2018年全球co₂排放量为331亿吨，较17年增长了1.7%（约56亿），相当于全球国际航空一年的排放总量。对化石能源的过度依赖使能源短缺的问题愈发突出，同时过多的co₂排放加剧了温室效应，而对二氧化碳进行光催化还原处理是解决温室效应和能源问题的关键。

co₂的光催化还原是基于对植物光合作用的模拟，通过光合作用固定co₂ 是有机化合物合成的出发点。早在1972年，fujishima 和 honda 发现了 tio₂分解水的现象^[1]，从此开辟了光催化研究的新领域。1978年，halmann报道了^[2]采用gap作为催化剂将co₂水溶液还原为ch₃oh,这拉开了co₂光催化还原为简单有机物的研究序幕。一年后，inoue等^[3]报道了利用tio₂, cds等半导体材料将水溶液中的co₂在光照条件下进行催化还原，得到了多种有机物，并且探讨了光催化还原co₂的反应原理。此后，halmann等^[4]又以srtio₃光催化还原co₂水溶液，得到了hcooh、hcho和ch₃oh等产物。自此，光催化还原co₂的研究逐渐兴起。

对于光催化还原co₂反应，具有高产物选择性高和催化产率的催化剂是光催化还原技术的关键，也是科研人员努力的方向。目前，用于光催化还原co₂的常见的光催化剂有二氧化钛，其他金属氧化物及无机半导体材料等。王世琦，霍文燚等人^[5]用磁控溅射法在ito 玻璃基底上制备ti-co 合金薄膜，对其阳极氧化处理制备出钴掺杂tio₂纳米管阵列薄膜，研究了钴掺杂对薄膜的形貌、结构、吸收光谱以及光催化还原性能的影响，结果表明薄膜吸收可见光的能力提高，钴含量(原子分数)为0.19% 的薄膜可见光照150min 后对cr(vi)的还原率可达98.4%。liuyang zhang等人^[6]通过煅烧方法在高导电性mxene ti₃c₂上原位生长了tio₂纳米颗粒（nps）。通过tio₂纳米颗粒在ti₃c₂上的均匀分布，获得了独特的稻壳样结构。所制备样品的蓬松的稻壳状结构使得复合材料具有大量的表面活性位点。ti₃c₂的超高电导率促进了光生电子的转移，并抑制了其与光生空穴的复合。jin wang等人^[7]报告了一种基于ni² 掺杂的cds qds（ni：cds qds）的高选择性和持久性的co₂光还原系统。结果表明，将ni位置结合到cds晶格中可以在表面催化位置有效捕获光激发电子，并基本上抑制h₂的释放，而且，相对于h₂放出，co₂还原的选择性达到了100%，并且催化剂显示了超过60小时的优异耐久性。qing guo等人^[8]发现在可见光照射下，cdse / cds量子点（qds）能够在三乙胺存在下，以412.8mmol g ^-1 h ^-1的激发速率和> 96％的高选择性将co₂光催化转化为co。 更重要的是，与1-苯基乙醇的氧化偶合反应生成频哪醇时，co₂-co转化平稳进行。该策略为经济高效的二氧化碳光还原提供了准确的答案，并为高效的太阳能转化为燃料开辟了新视野。yujie li等人^[9]通过同时氧化和碱化来合成具有很高的稳定性和良好的再现性的ti₃c₂-tio₂纳米花，优异的性能源自3d多孔纳米花状结构，该结构提供了更多的反应位点，具有更大的反射和散射光的能力，并减少了光生空穴和电子的扩散长度。yang xia等人^[10] 通过组装垂直排列的znin₂s₄（zis）纳米阵列和氮掺杂的石墨烯泡沫（ngf），水热合成了一种新颖的二维/三维层状复合材料。研究了复合材料在光热转换能力和选择性co₂吸附能力方面的应用，结果表明复合材料具有良好的光还原性能。在273k和1atm下，ngf含量为1.0wt%的zis/ngf复合物对co₂-n₂的选择率高达30.1，co₂的吸附率为48.2kj mol^-1。此外，zis/ngf复合结构具有高导电性网络，增强了dco2的化学吸附和强界面耦合，进一步促进了界面的光吸收、co₂吸收和光激发电荷传输，从而增强了模拟日光照明下的光释放。这项工作可以指导针对二氧化碳捕获和二氧化碳光电转换的更高层次异质结构的设计。目前研究驱使逐渐从提高光催化效率转移到提升光催化剂的稳定性和低成本制备， 从而满足其工业化的需求。

目前，用于光催化反应的光催化剂存在以下问题：①稳定性不佳, 导致循环使用时受到了限制；②co₂转化效率偏低；③ 还原产物选择性控制差；④ 催化剂产生的光生电子-空穴对极易产生复合，光生电子的寿命极低等问题，这大大限制了催化剂在还原co₂方面的应用。 过去的研究表明，一些具有d10电子结构的过渡金属（如pd，in，sn，hg，etc.）对co₂的吸附能力较弱，但是近期发现相比较传统过渡金属以及块状铋，片层状结构的铋烯在吸附co₂方面展现出更明显的优势。这一发现首先保证了催化剂与co₂气体的充分接触，对光催化还原co₂的研究具有重要的意义。因此我们考虑通过调整铋烯的厚度来研究其对催化剂性能的影响。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：通过液相剥离法制备光催化材料铋烯（通过调整实验参数，制备一系列不同厚度的铋烯）；研究溶剂的选择，液相剥离的时间，差速离心的转速等等对光催化还原co₂性能的影响。

材料表征：通过tem，sem，xrd,等表征手段对其物相和结构进行表征并分析。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－5周：按照设计方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关表征与测试方法，完成开题答辩。

第6－9周：完成铋烯的制备与表征。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] fujishima a, honda k. electrochemical photolysisof water at a semiconductor electrode [j]. nature, 1972, 238: 37-38.

[2] halmann m. photoelectrochemical reduction ofaqueous carbon-dioxide on p-type gallium-phosphide in liquid junctionsolar-cells [j]. nature, 1978, 275(5676): 115-116.

[3] inuoe t, fujishima a, konishi s, et al.photoelectrocatalytic reduction of carbon-dioxide in aqueous suspensions ofsemiconductor powders [j]. nature, 1979, 277(5698): 637-638.