Nb2C/ZnO复合材料的制备及光催化性能研究开题报告

 2022-01-11 20:46:00

全文总字数:5407字

1. 研究目的与意义(文献综述)

mxenes(m:过渡金属前半区的元素;x;c或n;ene:与石墨烯有类似的二维结构)是一类只有几层原子的二维纳米晶体,一般由其前驱物max(a:ga,si,p,s,ge,as等元素)制备而得。max的通式为mn 1axn(n=1,2,3),根据n的取值不同,可以将max分为211、312和413相.max的结构相似,属于六方晶体结构,空间群为p63/mmc[1]。在碳化物max中,1个c原子与6个m原子之间形成紧密堆积的共棱m6c八面体,c原子位于八面体间隙中心,交替出现的m6c由a原子平面层连接而成。c原子与m原子间的键合为共价键,处于中间层的a元素原子与m原子间的键合为金属键,相对较弱。利用a元素原子反应活性高、键能低的特点,可以采用液相化学刻蚀的方法将A元素原子选择性地刻蚀掉,从而得到只有几个原子厚度的mxenes二维纳米晶体。研究表明,通过液相化学刻蚀法制备的mxenes不仅具有大的比表面积,还具有优异的光电特性、力学性能和化学组成可调等性质[2-4]。在制备过程中,mxenes的表面容易修饰多种官能团,形成mxt相(t代表-oh、或f+离子),表现出亲水性。密度泛函理论研究表明,纯的mxene相具有金属导电性,而mxt相的电子结构与t的种类及其在二维平面上的定向排列有关,表现出半导体性质。目前,mxenes在储能、催化、吸附、生物医疗等方面展现出巨大的应用潜力 。然而,成功合成、剥离单层mxenes纳米材料仍然存在很多挑战。现有的mxenes合成方法主要有两类:直接合成和通过前驱物max刻蚀合成。国内北京大学 ningkang团队联合中科院wencairen团队,采用化学蒸发沉积(cvd)方法,直接在铜箔上生长了几纳米厚的mo2cene.这种方法合成的mo2cene缺陷少,但工艺复杂,而且产率低,难以进行大规模应用。通过max刻蚀得到mxenes是目前采用较多的方法[5]。该方法分成两步:首先是前驱物max的合成,然后是 max的刻蚀过程。前驱物max是一种性能优异的陶瓷材料,合成方法主要有冷/热压烧结、热等静压烧结、脉冲放电烧结、高能球磨以及燃烧合成等。max的刻蚀过程主要有液相化学刻蚀和高温氟盐熔融法等。

对于max材料国内万方芳等人采用热压烧结ti2sc固体材料。以3.0ti/1.0tis2/2.0c单质粉为原料,在1600℃保温2h,烧结产物含有少量tic杂质相。zhuwenbin等人采用热压法烧结ti2sc材料。以 1tis2/2c/3ti粉混合球磨24h,温度1000~1600℃,在ar气气氛下烧结2h,合成产物ti2sc中含有tis等杂质相;万方芳等人利用放电等离子烧结,以3.0ti/1.0tis2/2.0c单质粉为原料,在1450℃,保温10 min条件下,合成ti2sc块体材料,致密为98.93%,产物含有少量tic杂质相;lixin等人采用自蔓延高温法合成ti2sc粉体材料。以2ti/1s/1c单质粉为原料,ar气气氛下合成出片状尺寸为20~30μm的ti2sc材料,同时含少量杂质相tic和ti3s4;关春龙等人采用微波加热合成法以tis、ti、c为原料,在1100℃温度下,烧结功率为0~100%p,合成时间为5~20min,ar气气氛下合成高纯的ti2sc材料[6]

zhengyang li,jie xie,bentzel g w,wang yc,hu c, li f,music d,mendozagalván a,barsoum m w等人通过多种方法合成前驱物nb2alc,并对其性能进行了研究[7-12]

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2. 研究的基本内容与方案

1.基本内容

mxene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维结构,通过化学液相法可以选择性蚀刻掉max相中的a元素得到相应的mxene相。本实验通过放电等离子烧结获得nb2alc原料,再通过各类氟化物(lif)和盐酸的混合溶液,对nb2alc进行刻蚀,获得nb2c纳米片,然后与zno进行复合,制备得到nb2c/zno复合材料,并研究其光催化性能。

论文主要内容:1.文献调研,了解国内外相关研究概况和发展趋势,了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系;2.二维mxene材料nb2c的刻蚀制备;3.nb2c/zno复合材料制备及微观结构和性能表征;4.nb2c/zno复合材料光催化性能表征;5.分析总结数据,撰写毕业论文。

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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4-6周:按照设计方案,制备高纯度nb2c/zno复合材料及性能表征。

第7-11周:nb2c/zno复合材料的光催化性能表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] m.w.barsoum m.w. barsoum, t. elraghy, the max phases: unique new carbide andnitride materials, am. sci. 89 (2001) 334–343.

[2] 李正阳,周爱国,王李波,孙丹丹.二维晶体mxene的制备与性能研究进展[j].硅酸盐通报,2013,32(08):1562-1566.

[3] 郑伟,孙正明,张培根,田无边,王英,张亚梅.二维纳米材料mxene的研究进展[j].材料导报,2017,31(09):1-14.

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