1、項(xiàng)目編號(hào)： 吉林大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng) 目 申 請(qǐng) 書項(xiàng)目名稱 介孔TiO2磁性光催化劑的制備項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 陳雨寧 學(xué)院、年級(jí)、專業(yè) 材料學(xué)院2008級(jí)材料物理聯(lián)系電話電子郵件 812505485 指導(dǎo)教師姓名 李曉天 職稱 教授 填表日期 2010 年 4 月 28 日 吉林大學(xué)教務(wù)處制表2填表說明一、吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書要按順序逐項(xiàng)填寫。填寫內(nèi)容要實(shí)事求是，講究誠信，不能有雷同；表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)。空缺項(xiàng)要填“無”。要求一律用A4紙打印，于左側(cè)裝訂成冊(cè)。 二、申請(qǐng)參加“吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人數(shù)不得超過5人（1人為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，

2、參與合作研究者4人以內(nèi)）。三、申請(qǐng)參加“吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目的個(gè)人或團(tuán)隊(duì)必須聘請(qǐng)教師作為項(xiàng)目指導(dǎo)教師，并請(qǐng)指導(dǎo)教師在申請(qǐng)書上簽名。四、吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在學(xué)院初審，簽署意見后報(bào)送教務(wù)處實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)科（一式3份原件）。五、“項(xiàng)目編號(hào)”由教務(wù)處填寫。項(xiàng)目名稱介孔TiO2磁性光催化劑的制備申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)10000（元）起止時(shí)間2010年6月至2011年6月負(fù)責(zé)人教學(xué)號(hào)姓名年級(jí)所在學(xué)院、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail16080109陳雨寧08級(jí)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理專業(yè)13756853244812505485參加成員16080131王德超08級(jí)材料科學(xué)與工程學(xué)

3、院材料物理專dc92832330316080104王留洋08級(jí)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理專iuyangwly16080105許森08級(jí)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理專luxusen指導(dǎo)教師姓名李曉天學(xué)院材料學(xué)院職稱教授E-mailxiaotianli聯(lián)系電名一、項(xiàng)目申請(qǐng)理由（包括項(xiàng)目背景及自身具備的知識(shí)、素質(zhì)、能力和已參加過的研究等條件）項(xiàng)目背景：光催化技術(shù)是在20世紀(jì)70年代誕生的基礎(chǔ)納米技術(shù)，典型的天然光催化劑就是我們常見的葉綠素，在植物的光合作用中促進(jìn)空氣中的二氧化碳和水合成為氧氣和碳水化

4、合物。總的來說光催化技術(shù)是一種納米仿生技術(shù)，用于環(huán)境凈化、自清潔材料、先進(jìn)新能源、癌癥醫(yī)療、高效率抗菌等多個(gè)前沿領(lǐng)域。能作為光催化劑的材料眾多，包括二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO2)、二氧化鋯(ZrO2)、硫化鎘(CdS)等多種氧化物、硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦(Titanium Dioxide)因其來源豐富、光照后不發(fā)生光腐蝕、耐酸堿性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和較寬的帶隙能等特點(diǎn)成為世界上最重要的光催化材料。二氧化鈦的光催化原理為：當(dāng)它在受到太陽光或熒光燈的紫外線的照射后，內(nèi)部的電子就會(huì)發(fā)生激勵(lì)。其結(jié)果，就產(chǎn)生了帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。電子使空氣或水中的氧還原，生成

5、雙氧水，而空穴則向氧化表面水分子的方向起作用，產(chǎn)生氫氧（羥）基原子團(tuán)。這些都是活性氧，有著強(qiáng)大的氧化分解能力，從而能夠分解、清除附著在氧化鈦表面的各種有機(jī)物。TiO2催化劑的吸附和光催化性能雖然具有很大優(yōu)越性，但在反應(yīng)后（尤其是液相體系）分離回收困難的問題卻一直沒有有效解決。因?yàn)門iO2催化劑的吸附和光催化性能在很大程度上取決于其比表面積的大小，TiO2 顆粒越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越好，但也就造成了回收難的問題。后來科學(xué)界提出，將TiO2包覆在不同的基體上，特別是磁性芯核上，形成的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米材料，在盡量不影響催化活性的前提下，利用磁方法解決回收問題。于是帶有納米Fe3O4磁

6、性核的介孔TiO2復(fù)合光催化劑，以其高比表面積、易于反應(yīng)物接近的孔道結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的吸附性能，且在處理液相體系時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他TiO2光催化劑的回收率，成為了當(dāng)前光催化學(xué)科研究的熱點(diǎn)。目前TiO2光催化劑已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)和衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域采取應(yīng)用，并擁有廣泛前景。如將TiO2光催化劑應(yīng)用在高樓大廈、高速公路兩旁的隔音墻、街道路燈等裝置上。陽光（紫外線）的照射就能夠清除積落在上面的塵埃和污染物質(zhì)，如氧化氮、硫化物、氯化物等，不僅節(jié)省用以清掃的人力和財(cái)力，而且自然地凈化了環(huán)境。在醫(yī)療方面，日本東麗公司應(yīng)用光催化劑開發(fā)的消臭纖維已然上市，可用來制作老人和醫(yī)院用床單、枕套等各種物品，也能夠制作食品包裝薄膜。但

7、是，TiO2光催化劑仍局限在固相方面應(yīng)用上，如能成功解決在液相體系中的回收問題，必將在工業(yè)合成提純方面及環(huán)保水資源等方面產(chǎn)生巨大推動(dòng)。自身具備的知識(shí)、素質(zhì)、能力和已參加過的研究：我小組由4名精明能干、對(duì)科學(xué)研究富有激情的同學(xué)組成，其中有一人獲得08-09學(xué)年國家獎(jiǎng)學(xué)金，兩人獲得校一等獎(jiǎng)學(xué)金。組內(nèi)多數(shù)成員已通過大學(xué)英語四級(jí)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人陳雨寧現(xiàn)任材料學(xué)院輔導(dǎo)員助理，08級(jí)班長，09級(jí)副班主任，在08-09學(xué)年獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金及院優(yōu)秀學(xué)生干部的榮譽(yù)稱號(hào)，具有良好的專業(yè)基礎(chǔ)及組織、協(xié)調(diào)能力。我們不僅擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)（在高等數(shù)學(xué)、普通物理、原子物理、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等科目取得優(yōu)異的成績）而且

8、經(jīng)過化學(xué)、物理、電子線路等相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，具備一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＮ覀冃〗M思維活躍，善于團(tuán)結(jié)合作并且擁有堅(jiān)持不懈的品質(zhì)，相信在李曉天教授的指導(dǎo)下，可以取得滿意的成果。二、項(xiàng)目研究內(nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、主要研究內(nèi)容，重點(diǎn)和難點(diǎn)及可能的創(chuàng)新點(diǎn)，研究思路和方法等）目前研究的現(xiàn)狀二氧化鈦具有來源豐富、光照后不發(fā)生光腐蝕、耐酸堿性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和較寬的帶隙能等特點(diǎn)，因而在化學(xué)合成、太陽能利用和環(huán)境污染處理等方面有著廣泛的用途，尤其是光催化方面的研究吸引了眾多研究者的興趣。TiO2催化劑的吸附和光催化性能在很大程度上取決于其比表面積的大小。非孔性TiO2 顆粒越小，比表面越大，吸附和光催化性能也越

9、好，但是在處理液相體系時(shí)，TiO2顆粒太小會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)后分離回收困難，這極大地阻礙了其工業(yè)應(yīng)用。介孔TiO2所具有的高比表面積、易于反應(yīng)物接近的孔道結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的吸附性能等，使其具有非孔性TiO2所沒有的優(yōu)異性能。近年來高結(jié)晶度和大比表面積的TiO2在光催化方面的應(yīng)用已經(jīng)越來越突出。但由于合成的介孔TiO2仍然是粉體材料，粒度小，反應(yīng)后分離回收困難的問題仍沒有有效解決。TiO2包覆在不同的基體上，特別是磁性芯核上，形成的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米材料有望徹底解決工程上分離回收難題。可以利用材料所具有的磁性，在外加磁場下很容易實(shí)現(xiàn)分離。但是因?yàn)樵赥iO2和鐵的氧化物之間存在晶格失配缺陷，導(dǎo)致電子-空穴再復(fù)合

10、的機(jī)會(huì)增加，激子淬滅比率增加，材料的光催化活性減弱。為了保持磁性復(fù)合物光催化劑的光催化活性，可以在磁性粒子上進(jìn)行包覆處理。但是該方面的工作目前主要采用的是非孔性TiO2，介孔TiO2與磁性芯核形成的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米材料尚未見報(bào)道。鑒于介孔TiO2的優(yōu)異性能，所形成的復(fù)合材料較非孔性TiO2在光催化方面將有突破性提高，值得研究。介孔TiO2 的合成方法包括采用各種模板劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，例如磷酸鹽、有機(jī)胺、嵌段共聚物、非離子表面活性劑和其它模板劑等的模板合成法和非模板法。所選用的表面活性劑包括陰離子型表面活性劑（如烷基磷酸鹽、羧酸鹽）、非離子表面活性劑（如有機(jī)胺、嵌段共聚物）、陽離子表面活性劑等。介

11、孔TiO2的光催化活性遠(yuǎn)高于納米TiO2，但是并沒有解決催化劑回收困難的問題。而帶有納米Fe3O4磁性核的納米TiO2復(fù)合物雖然能實(shí)現(xiàn)磁回收，但是材料的光催化效率較介孔TiO2要低很多。帶有納米Fe3O4磁性核的介孔TiO2復(fù)合光催化劑的合成，理論上可以解決以上問題。之所以要選用Fe3O4作為磁性核，是因?yàn)镕e3O4具有順磁性又綠色環(huán)保，不會(huì)帶來二次污染。經(jīng)過科研人員的努力，納米Fe3O4和介孔TiO2的合成已經(jīng)克服技術(shù)瓶頸，將二者復(fù)合技術(shù)上是可行的，意義重大。主要研究內(nèi)容制備高質(zhì)量Fe3O4納米球，開展納米Fe3O4包覆，包覆材料選用SiO2，形成納米Fe3O4C的復(fù)合材料；以目標(biāo)產(chǎn)物為核，

12、開展介孔TiO2包覆研究。重點(diǎn)和難點(diǎn)及可能的創(chuàng)新點(diǎn)異質(zhì)匹配是要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。首先，F(xiàn)e3O4芯核與C等過渡層物質(zhì)形成良好的異質(zhì)匹配，減少缺陷；其次，介孔TiO2與C等過渡層物質(zhì)也要形成良好的異質(zhì)匹配，減少缺陷，把Fe3O4對(duì)介孔TiO2光催化活性的影響減小到最低程度。可能的創(chuàng)新點(diǎn)在于：由于Fe3O4芯核的存在可進(jìn)行磁回收，解決光催化劑回收難題；介孔TiO2較非孔TiO2光催化性能更好，可以顯著提高所合成催化劑的光催化效率。研究思路和方法首先合成高分散Fe3O4納米球（制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道），然后選取C 材料進(jìn)行Fe3O4包覆。C的包覆多以蔗糖為前驅(qū)體碳源，真空或惰性

13、氣體保護(hù)下熱分解形成C包覆層。由于要求C包覆層要薄，需要控制蔗糖用量以及分解溫度與速度，并增加退火再晶化步驟。最后進(jìn)行介孔TiO2包覆，優(yōu)選合適的制備方法，實(shí)現(xiàn)介孔TiO2與C等過渡層物質(zhì)異質(zhì)匹配，形成最終目標(biāo)材料。選擇合成方法的原則首先是能在相對(duì)溫和的條件下實(shí)現(xiàn)介孔TiO2的合成，在此基礎(chǔ)上要保證不對(duì)芯核造成太大損害，保持其結(jié)構(gòu)完整。有關(guān)方法：本研究課題的研究方法包括溶膠凝膠法、模板合成法、溶劑揮發(fā)法、水熱和溶劑熱合成法、超聲波輔助法、微波消解法、程序控溫、退火及熱處理等。實(shí)驗(yàn)手段：包括稱量、加熱、攪拌、浸漬、水熱、退火、灼燒、腐蝕、離心以及各種材料表征和光催化實(shí)驗(yàn)等手段。注：此欄可附頁三、

14、項(xiàng)目進(jìn)度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究方案、開題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報(bào)告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）此項(xiàng)目擬用一年時(shí)間完成，大體安排如下：2010年6-8月：熟悉老師課題組環(huán)境與實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)習(xí)查閱并整理文獻(xiàn)，并進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)。向老師以及課題組的師兄、師姐們學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技巧與經(jīng)驗(yàn)，盡快學(xué)會(huì)如何進(jìn)行研究工作。2010年8-9月：在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，在課題組前期工作基礎(chǔ)上，篩選出適合應(yīng)用于我們所設(shè)計(jì)材料的最佳方法，自主完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并開始具體實(shí)驗(yàn)探索。 2010年9-2011年5月：運(yùn)用計(jì)劃的方案做實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中仔細(xì)、及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)

15、象、試劑藥品等，表征實(shí)驗(yàn)獲得的材料，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并發(fā)表相關(guān)研究成果。2011年5-6月：填寫結(jié)題表、撰寫實(shí)驗(yàn)論文和總結(jié)報(bào)告，項(xiàng)目驗(yàn)收，參加結(jié)題答辯，撰寫科研論文。*注：在實(shí)驗(yàn)過程中，定期向老師和領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。四、擬利用資源（實(shí)驗(yàn)室、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料、資料等）實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師李曉天教授課題組所有的實(shí)驗(yàn)室可以自由使用。儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料、資料等要完成此課題，制備和表征手段是必要的。制備方面：李曉天教授課題組基本的儀器設(shè)備，包括磁力攪拌器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、高壓反應(yīng)釜、管式爐、馬福爐、真空烘箱、超聲波發(fā)生器、微波爐、離心儀、吸濾設(shè)備、旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)等，都已經(jīng)齊全；課題組還有一些比較貴重的制備設(shè)備，如高真

16、空CVD設(shè)備兩套、進(jìn)口手套箱一套、電化學(xué)沉積反應(yīng)裝置二套等。表征手段：SEM、TEM、EDX、吸附儀、XRD等是最重要的表征手段。李曉天教授課題組所依托單位吉林大學(xué)材料學(xué)院以及無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有日本進(jìn)口的JEOL JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和 JEM-2010F型透射電子顯微鏡（TEM），配有EDX系統(tǒng)，由德國留學(xué)歸來的專門從事電鏡工作的李吉學(xué)教授指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工作。設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完畢，正平穩(wěn)運(yùn)行。固體NMR、CCD單晶分析儀、HREM、CHN、多功能吸附儀、差熱熱重儀、ICP元素分析儀、紅外光譜儀、XPS、磁性分析、真空吸附天平、ESR、熒光分析儀、XRD

17、、紫外可見和工作站及軟件等儀器設(shè)備的使用已經(jīng)落實(shí)，可以有選擇地加以利用。催化性能的研究與吉林大學(xué)化學(xué)院從事催化性能研究的王潤偉副教授合作進(jìn)行，該研究室已經(jīng)建立起幾個(gè)光催化降解反應(yīng)模型，研究方法已經(jīng)成型。我們負(fù)責(zé)提供催化劑，并參與催化工藝的研究。東北師范大學(xué)物理學(xué)院光電技術(shù)研究所劉益春教授、邵長路教授組有完善的激光光譜測試手段，李曉天教授課題組常年與之合作。以上資源我們可以有選擇地加以利用。五、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算與用途（購置實(shí)驗(yàn)消耗材料（低值品）、資料、加工測試、打字復(fù)印、調(diào)研、市內(nèi)公交、論文版面費(fèi)、專利申請(qǐng)費(fèi)等經(jīng)費(fèi)開支）項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算與用途科目申請(qǐng)金額(單位：元)備注實(shí)驗(yàn)材料5000實(shí)驗(yàn)用各種金屬鹽、

18、有機(jī)模板劑、藥品、試劑以及硅源、碳源等耗材的購置測試與分析3000用于樣品TEM、SEM、EDX、XRD等表征及性能測試資料費(fèi)300購買書籍、文獻(xiàn)查詢等打印費(fèi)200打印文獻(xiàn)、資料數(shù)據(jù)等調(diào)研費(fèi)300相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)查文章投遞費(fèi)200發(fā)表文章時(shí)用于投遞版面費(fèi)900發(fā)表文章所需的版面費(fèi)交通費(fèi)100用于到較遠(yuǎn)工作地點(diǎn)的車費(fèi)合計(jì)10000六、項(xiàng)目預(yù)期成果（研究論文、設(shè)計(jì)、調(diào)研報(bào)告、申請(qǐng)專利、開發(fā)軟件、研制產(chǎn)品、項(xiàng)目鑒定等）成果以論文形式在被SCI、EI收錄的刊物或核心刊物上發(fā)表，提供實(shí)物樣品及材料合成參數(shù)，另外，若可能還將在適當(dāng)機(jī)會(huì)在國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告研究成果與進(jìn)展。結(jié)題時(shí)提交研究報(bào)告。七、項(xiàng)目誠信承諾本項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和全體成員鄭重承諾，該項(xiàng)目研究不抄襲他人成果，不弄虛作假，按項(xiàng)目研究進(jìn)度保質(zhì)保量完成各項(xiàng)研究任務(wù)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簽名： 項(xiàng)目組成員簽名： 年 月 日 年 月 日八、指導(dǎo)教師意見（從項(xiàng)目科學(xué)性、前沿性、可行性、研究性、可操作性和成效性加以評(píng)價(jià)）本課題所涉及的幾種材料，包括高分散Fe3O4納米球、介孔TiO2、碳等的制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟，F(xiàn)e3O4納米球包覆C，再包覆非孔性TiO2的工作都已經(jīng)