具有（001）暴露晶面二氧化钛光催化性能优化研究开题报告

全文总字数：5652字

1. 研究目的与意义（文献综述）

出于对化石燃料储量枯竭和化石燃料燃烧造成污染的担忧，并且由于氢气被认为是未来可存储、清洁和环保的燃料，氢气成为了有吸引力的替代能源。如今，氢气主要通过使用不可再生资源（例如化石燃料）或高能耗过程获得，既不环保又不经济。因此，人们对通过可持续和经济的方法生产氢气非常感兴趣，尤其是将光催化分解水制氢视为解决全球能源和环境问题的重要且有吸引力的方案^[1-3]。

在光催化水制氢研究中，提高制氢活性和效率是研究人员的主要目标。二氧化钛因为具有生物相容性好、带隙宽、对人体无毒害、化学稳定性好、成本低廉等特点，已被广泛应用于光催化降解、再生能源的利用，气体传感器，杀菌消毒等许多领域，是目前研究最广泛的n型半导体光催化剂之一^{[2, 4]}。自然界中的二氧化钛具有三种晶体结构：锐钛矿，金红石和板钛矿。其中，板钛矿结构不稳定，光催化活性差，锐钛矿相对于金红石具有更好的电子迁移率。锐钛矿型tio₂的光催化性能与其形状和尺寸密切相关，特别是与暴露晶面的类型有关^[5]。

wulff构造表明自然存在的锐钛矿型tio₂包含约90%的(101)晶面^[5]。由于大量(101)晶面的存在，利用暴露晶面的tio₂光催化水分解制氢的效率很有限：首先是由于二氧化钛的带隙宽度较宽，只能响应太阳光中的紫外光，光利用效率较低^[11-12]。其次，由于tio₂颗粒内光生电子-空穴对复合速率较快，因此光生载流子的分离和传输效率低^[1]。但是，最近的研究表明通过在控制的温度和压力下选择合适的前躯体、矿化剂和表面活性剂来控制反应动力学和成核过程，(001)- tio₂可以在水性和非水性条件下制备^[9-10]。现有理论计算与表面分析结果表明氟原子结合或吸附在(001)晶面上，可以暂缓钛前驱体的水解并降低表面能，使氟化末端锐钛矿型tio₂晶体的(001)晶面拥有出色稳定性^[6]。锐钛矿型tio₂单晶片具有较高活性的(001)晶面，与热力学更稳定的(101)晶面相比，(001)晶面的较高表面能使反应物分子的解离吸附更有效^{[1, 6-7,8]}。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）文献调研及理论学习

通过国内外相关文献的调研，掌握二氧化钛材料研究现状，重点了解了不同二氧化钛材料制备方法存在的缺陷和不足^[2]，学习了二氧化钛材料合成的方法^[9], 拟探究氢氟酸的量^[6] 、反应温度和反应时间对二氧化钛纳米片的厚度以及光催化性能的影响。

（2）(001)暴露晶面二氧化钛材料的制备

Ti(OC₄H9)₄-HF-H₂O混合溶液通过水热法合成拥有(001)暴露晶面的锐钛矿型TiO₂纳米片^[1]。

（3）二氧化钛纳米片的结构表征与性能分析

a.用扫描电子显微镜(SEM)、选区电子衍射(SAED)、透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)等表征技术对TiO₂纳米片进行结构表征^[2,5,9]。

b.采用控制变量法测试不同浓度氢氟酸溶液及蒸馏水、不同反应温度和不同反应时间制备出的TiO₂纳米片的光催化产氢性能，包含响应光的波长范围以及产氢速率。

2.2 研究目标

氢氟酸的量、反应温度和反应时间对二氧化钛纳米片的厚度以及光催化性能的影响。

2.3 技术方案

（1）实验仪器与试剂

（2）材料制备

a.在环境温度下加入25 mLTi(OC₄H₉)₄和3 mL氢氟酸溶液(40 wt%)混合在干燥的特氟龙衬里高压釜（容量为100 mL）中。然后在180℃下对混合物进行水热处理24 h^[1]。水热反应后，通过离心收集白色沉淀物，用蒸馏水和乙醇洗涤3次，然后在80℃的烘箱中干燥6h，得到拥有(001)暴露晶面的锐钛矿型TiO₂纳米片^[9]。用0.1M NaOH溶液清洗TiO₂纳米片表面，最后，在N₂气氛下于350℃退火2h ^[13-14]。

b.为了进一步探究氢氟酸的量对二氧化钛纳米片的厚度以及光催化性能的影响，将3 mL氢氟酸溶液(40 wt%)替换成3 mL不同浓度氢氟酸溶液以及蒸馏水，在其他条件不变的情况下合成TiO₂纳米片。用0.1M NaOH 溶液清洗TiO₂纳米片表面，最后，在N₂气氛下于350℃退火2h^[8]。

c.其他条件与a中保持一致，改变水热反应的温度进行材料制备。

d.其他条件与a中保持一致，改变水热反应的时间进行材料制备。

（3）结构表征与性能分析

a.用扫描电子显微镜(SEM)、选区电子衍射(SAED)、透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)等表征技术对TiO₂纳米片进行微观结构和形貌分析^[5,9]。

b.紫外线照射的TiO₂样品表面上产生的OH^[2]通过光致发光(PL)方法检测出来，香豆素作为探针分子^[1]（香豆素容易与OH反应生成7-羟基香豆素(7HC)（伞形酮））。紫外线照射TiO₂样品溶液1小时后，过滤反应溶液，通过Hitachi F-7000荧光分光光度计测量生成的7HC的PL谱，从而得到PL峰对应波长的增加量。

c.光催化分解水产H₂实验在石英玻璃容器中于真空中进行，使用300W氙灯作为光源（型号为PLS-SXE300C），真空系统主要由玻璃真空管道组成。采用气相色谱仪作为测试系统（型号为美国安捷伦(GC)），系统中通入速率是40mL/min的高纯氩气载气。测试条件：0.02g样品置于15mL三乙醇胺（作为捕获光生空穴的牺牲剂）与85mL的混合溶液中，使用气相色谱仪进行分析。以上所有玻璃器皿均用蒸馏水严格清洁。^[15]

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：在不同的反应温度条件下合成二氧化钛纳米片；通过表征测试后择优最佳反应温度合成的二氧化钛纳米片。

第6－7周：在最佳反应温度条件下，探究反应时间对合成二氧化钛纳米片的影响，通过表征测试后择优最佳反应时间合成的二氧化钛纳米片。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]yu, j.; qi, l.; jaroniec, m., hydrogen production by photocatalyticwater splitting over pt/tio2 nanosheets with exposed (001) facets. j. phys. chem. c 2010, 114, 13118-13125.

[2] 陈清华. 改性tio_2纳米带制备及光催化降解水中左氧氟沙星研究_陈清华[d]. 哈尔滨工业大学, 2014.

[3] 郭丽君,李瑞, 刘建新,等. 半导体光催化分解水的析氢效率研究[j]. 化学进展, 2020 ,32(01):46-54.