高聚合度管状碳化氮光催化材料的制备及其光催化还原CO2的性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

近些年，随着人们生活水平的日益提高，能源问题越来越受到人们的广泛关注。煤、石油、天然气这三大传统化石燃料的消耗越来越大，而其存储量又非常有限。在化石燃料消耗过程中伴随着废气排放到大气中，其中含有大量co₂。而大量的co₂排放使得大气圈和生物圈中碳循环失去平衡，大气中co₂激增，引发全球气候变暖。因此，能源危机和温室效应两大问题引起了人们的普遍关注。1979年，inoue等利用光催化技术在二氧化钛、硫化镉、磷化镓等半导体表面将二氧化碳还原为碳氢化合物^[1]。后续研究人员也开展了大量的相关研究工作，但是传统二氧化钛等光催化材料有着带隙宽、吸光范围小以及量子效率低下的缺点。二维层状碳化氮作为一种带隙窄，吸光好的有机半导体材料有着很多半导体所不具备的优势。例如，其可以通过表面修饰^[2]等方式实现可控的调制，并且拥有巨大的比表面积可以为光催化反应提供更多的反应位点等。1989年，liu等^[3]首次通过理论推导和计算预言了碳化氮的存在，并推测出这种新型材料可能具有的晶体结构。1993年，哈佛大学在实验室中人工合成了碳化氮薄膜，拉开了碳化氮研究的序幕。

碳化氮有五种相结构，分别为β相、α相、p相、c相和g相。由于β相和α相有着相近的能量、晶体结构、组成成分、原子密度等。因此合成单一的α相碳化氮或β相碳化氮很困难^[4]。g相碳化氮是在常温常压下最稳定的相，目前研究者认为g相碳化氮的基本组成基团可能是均三嗪（c6n7）和三嗪（c3n3），二者主要区别为氮原子周围电子环境和层内由基本结构基团周期型排列形成的孔的形状和大小不同^[5、6]。碳化氮作为一种新型的有机半导体催化剂，制备方法有很多种。包括物理法（机械球磨法、磁控溅射、离子溅射、激光束溅射等）和化学法（热聚合法、水热或溶剂热法、固相反应法和电化学沉积法等）^[7]。

将碳化氮用于co₂光还原为碳氢燃料已被视为一种可解决全球能源危机的技术，这项技术也将减少温室效应。目前，dong和zhang^[8]发现在可见光照射且有水蒸汽存在而无任何共催化剂的情况下，由三聚氰胺盐酸盐制备得到的g相碳化氮能够高效地将co₂光催化还原为co。光催化co₂还原反应是一个复杂的化学过程，半导体光催化剂在光照下，当光子能量超过禁带宽度能量时，电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，即产生光生电子和空穴。光生电子和空穴迁移到催化剂表面，与表面吸附的二氧化碳和水发生反应，价带上光生空穴氧化反应物生成氧气，导带上光生空穴还原co₂生成甲烷、甲醇等碳氢燃料^[9-11]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：物理沉积法制备高聚合度管状碳化氮材料

材料表征：采用x-射线衍射（xrd）表征其晶体结构和物相组成、透射电镜（tem）和场发射扫描电子显微镜（fesem）观测该材料微观形貌、红外光谱（ftir）检测其结构和表面官能团、n₂吸附-脱附等温曲线测试其比表面积和孔结构、紫外-可见漫反射光谱（drs）检验材料光吸收性能、光电化学测试考察其光电流响应和表界面阻抗等，并探寻其光催化还原co₂生成碳氢燃料活性增强的机理。

3. 研究计划与安排

第1-3周 查阅相关文献，了解碳化氮光催化剂材料的光催化机理，撰写开题报告、完成实验准备工作；

第4-7周 以三聚氰胺为原材料，在惰性气体n₂保护下，采用“两步”煅烧法制备高聚合度管状碳化氮材料，并完成5000字外文文献翻译工作；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] inoue t, fujishima a,konishi s, et al. photoelectrocatalytic reduction of carbon dioxide in aqueoussuspensions of semiconductor powders [j]. nature, 1979, 277: 637-638.

[2] kaempgen m, chanc k, ma j, et al. printable thin film supercapacitors using single-walledcarbon nanotubes [j]. nano letters, 2009, 9(5): 1872-1876.

[3] liu a y, cohen m l. predictionof new low compressibility solids [j]. science, 1989, 245(4920): 841-842.