基于 ZnO 纳米棒构筑的反蛋白石结构光子晶体薄膜合成及光催化性能研究开题报告

全文总字数：6726字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着社会的发展，石油、煤炭等不可再生能源的不断消耗，环境污染恶化和能源资源枯竭问题日益突出，能源短缺已成为人类函待解决的重要问题之一。氢能作为一种绿色清洁能源而受到人们高度关注，如何提高产氢效率更是一项意义重大的工作。光催化技术作为一种绿色无污染的清洁能源转换方式，可以将太阳能直接转换为氢能，是国际上广泛关注的能量转化技术之一^[1]。

tio₂和zno是目前研究最为广泛的两种光催化材料^[2][3]，zn在自然界的丰度高于ti，其廉价,无毒,高效等优点，引起研究人员的广泛关注^[4]。首先，zno是一种直接带隙半导体，相比较tio₂等间接半导体而言有效避免了光生载流子跃迁机率低、量子效率低的问题^[5]；其次，纳米尺寸的zno 由于表面效应、宏观量子隧道效应等而具备较好的光催化性能^[6]；同时，由于具有较高的导电性和透明性以及特殊的荧光效应，zno更有利于深入研究其光催化反应机理等^[7]。另外，zno的合成方法多样，形貌结构易于控制，可以通过合成不同形貌的zno对其进行结构修饰，增强材料的光催化性能^[3][5]。目前主要研究的有纳米棒结构^[8]、花状纳米片结构^[9]、三维空心球结构^[10]、三维等级孔结构^[25]以及光子晶体结构^[11]等。其中，光子晶体结构具有光子带隙（pbg），类似电子带隙，在一定频率范围内光都禁止传播^[21]，该机制说明了光子晶体对光有一定的调制能力。在光催化领域，经研究发现光子晶体会发生特殊的“慢光子效应”，该效应会造成光子群速度降低，光子在材料中传播路径和驻留时间都将发生延长，提高材料对光能的利用率，在光能利用上具有巨大潜力^[22]，同时光子晶体结构高的比表面积以及高的反应活性提升了材料的光催化效率。另一方面，我们在光子晶体结构表面自由生长zno纳米棒阵列，利用单晶纳米棒阵列对电子的传输作用促进光生电子分离^[8]，进而提高zno的光催化性能。

2. 研究的基本内容与方案

一、 项目的研究内容和研究目标

1.研究内容

项目基于课题组及申请人前期对zno纳米棒构筑的光子晶体薄膜的研究，拟合成pt/zno复合光子晶体薄膜，并对其进行性能测试。首先利用硬模板法制备zno纳米棒构筑的光子晶体，利用结构改性提升材料对光的吸收, 利用单晶纳米棒阵列对电子的传输作用促进光生电子-空穴对分离。其次，利用光合成技术将pt与zno复合，构筑金属与半导体间的整流接触：一方面，拓宽复合材料在可见光范围内的吸收效率；另一方面利用内建电场产生的肖特基势垒，促进光生载流子分离，提高材料的光催化性能。最后，对复合材料进行性能表征，探究材料的光催化作用机理，研究纳米棒阵列结构对材料光催化性能的影响。以期在基础理论研究方面对提升催化剂的光催化反应过程提供一定的理论支持。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. schneider j, matsuoka m, takeuchi m, et al. understanding tio2 photocatalysis: mechanisms and materials[j]. chemical reviews, 2014, 114(19):9919-9986.

[2]. malato s, maldonado m i, fernández-ibáez p, et al.decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: the pilotplants of the plataforma solar de almeria[j]. materials science insemiconductor processing, 2016, 42(1):15-23.