濟(jì)南大學(xué)SRT項(xiàng)目申請(qǐng)書(修改)

1、項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)大學(xué)生研究訓(xùn)練（SRT）計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書項(xiàng)目名稱： 負(fù)載型納米催化劑的制備及其性能研究 申 請(qǐng) 人： 王智遠(yuǎn) 學(xué)院（中心）： 化學(xué)工程與工藝 專 業(yè)： 化學(xué)化工學(xué)院 指導(dǎo)教師: 王金剛 職稱 副教授 申請(qǐng)日期： 2015 年 10 月 9 日一、 簡(jiǎn)表項(xiàng)目名稱負(fù)載型納米催化劑的制備及其性能研究項(xiàng)目來(lái)源A、自立項(xiàng)目； B、教師科研課題的子項(xiàng)目； C、其它。經(jīng)費(fèi)來(lái)源A、學(xué)校資助 ； B、導(dǎo)師課題資助； C、企業(yè)資助；申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)1000元起止年月2015.10-2016.10項(xiàng)目申請(qǐng)人姓 名1000性別男民族漢出生年月1995.10學(xué)院（中心）化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)化學(xué)工程與工藝學(xué) 號(hào)班級(jí)電話電子郵

2、件興趣愛好特長(zhǎng)項(xiàng)目組主要成員姓名性別出生年月學(xué)院專業(yè)年級(jí)項(xiàng)目中的分工簽字指導(dǎo)教師王金剛學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院職 稱副教授研究專長(zhǎng)有機(jī)污染物處理、光催化劑的制備聯(lián)系電、 立項(xiàng)依據(jù)研究意義：工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)生存環(huán)境造成了極大的污染，近年來(lái)，水污染、大氣污染等日益加劇，有機(jī)污染物的降解已成為環(huán)境化學(xué)中的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前有機(jī)污染物的處理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等。物理法主要是利用吸附的方法對(duì)有機(jī)色素進(jìn)行處理，并不能降解有機(jī)物；生物法耗時(shí)長(zhǎng)、造價(jià)高，只能對(duì)污染物進(jìn)行初級(jí)的處理；化學(xué)法可對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行深度處理，但成本往往較高，處理和回收不徹底還會(huì)帶來(lái)二次污染。常用的化學(xué)法有化學(xué)

3、混凝法、光催化法、超聲處理法等1-3。相對(duì)于其他化學(xué)處理方法，光催化法反應(yīng)因其高效、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前主要研究應(yīng)用的光催化劑有TiO2、ZnO等,但以P25、納米ZnO為代表的粉末狀催化劑在進(jìn)行有機(jī)物降解處理時(shí)也有諸多不便，如自然環(huán)境下缺乏攪拌條件，導(dǎo)致催化劑沉于水底而失去作用。此外，粉末狀催化劑還存在回收困難、易造成浪費(fèi)和二次污染的缺陷4。將納米光催化劑負(fù)載在載體上是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一。本次研究的目的是制備一種負(fù)載型納米光催化劑，使其具有更高的比表面積和更低的使用成本，使用時(shí)可懸于液體表面，提高對(duì)光的利用率，后期回收也較為簡(jiǎn)單，可用于降解水中的有機(jī)物、清除水面浮油、染料脫色等

4、。文獻(xiàn)報(bào)道的載體輕質(zhì)粉煤灰、空心?；⒅榈?-6，本次研究主要利用鋼網(wǎng)為載體，利用水熱法在其表面合成具有特殊形貌納米ZnO，制備一種能同時(shí)進(jìn)行油水分離和降解水中有機(jī)物的復(fù)合材料，該材料具有分離速率快、易回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理、油水分離等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。納米ZnO有較高的光催化活性，但也存在穩(wěn)定性較差的缺陷。有文獻(xiàn)報(bào)道7，納米ZnO在紫外線下易發(fā)生“光腐蝕”，造成其穩(wěn)定性下降，重復(fù)利用次數(shù)減少，目前文獻(xiàn)中解決這一問(wèn)題主要采用摻雜N或其它貴金屬的的方法8，使吸收帶發(fā)生紅移。這一方法的缺點(diǎn)是降低了對(duì)紫外光的利用，使降解效率有所降低，本次研究在合成負(fù)載型納米ZnO的同時(shí)，探索在鋼網(wǎng)表面構(gòu)造

5、一層Nafion膜負(fù)載ZnO,利用構(gòu)造疏水性通道，在不改變吸收帶的前提下，提高ZnO的抗腐蝕能力，進(jìn)而提高其催化性能?，F(xiàn)狀分析： 1、氧化鋅的制備目前納米氧化鋅的制備主要有溶膠-凝膠法、直接沉淀法、電化學(xué)沉積法、水熱合成法、模板法等9，其中水熱合成法為最常用的一種方法，該法在水熱反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，主要用水作為反應(yīng)體系的溶劑介質(zhì)，在高溫高壓的條件下，形成新的形貌和新的物相。使用該方法獲得的氧化鋅形貌豐富、大小易控制、原料來(lái)源豐富，本次實(shí)驗(yàn)探究擬采用該種方法。2、納米ZnO的不同形貌目前納米ZnO主要以線狀、片狀、磁盤狀、棒狀等一維結(jié)構(gòu)比較多10-11，如圖1所示，本次實(shí)驗(yàn)探究在鋼網(wǎng)表面合成二維或三維

6、六棱柱型ZnO,提高其催化活性，如圖二所示。圖一 不同形貌的ZnO圖二 文獻(xiàn)中鋼網(wǎng)負(fù)載ZnO 3、負(fù)載型納米ZnO光穩(wěn)定性的提高 大量實(shí)驗(yàn)證明12，ZnO光催化劑易被空穴氧化而發(fā)生光腐蝕，且在過(guò)酸過(guò)堿的環(huán)境下有溶解的趨勢(shì)，導(dǎo)致其光催化活性降低，影響其光催化效率和循環(huán)使用，目前文獻(xiàn)中關(guān)于這一問(wèn)題的解決方法鮮見報(bào)道。在ZnO表面建立親水性通道可能是解決這一難題的有效手段，其機(jī)理如圖3所示13通過(guò)離子交換和沉淀反應(yīng)制備了全氟磺酸膜負(fù)載氧化鋅，利用膜上的親水性通道提高氧化鋅的抗腐蝕能力。本次研究，探索在鋼網(wǎng)上利用Nafion膜負(fù)載ZnO,利用膜上的親水性通道，增加抗光腐蝕能力的可行性。圖三 疏水性通道

7、提高光穩(wěn)定性機(jī)理參考文獻(xiàn)：1 盧建杭.印染廢水混凝脫色與染料結(jié)構(gòu)與混凝劑之間的關(guān)系J.工業(yè)水處理，1999,19（4）：28-302 吳海寶，焦曉東.太陽(yáng)能-TiO2非均相光催化污水脫色研究J.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1997,17（1）：93-953 Fan X M, Lian J S, Guo Z X. Microstructure and photoluminescence properties of ZnO thin films grown by PLD on Si(111) substrates J. Appl. Surf. Sci, 2005, (239): 176-1814 Jingang

8、 Wang ,Bin He ,Xiang Z.Kong . A study on the preparation of floating photocatalyst supported by hollow TiO2 and its performanceJ. Appl. Surf. Sci.,2015(327):406-4125 Wu D,Huo PW, Lu ZY, Gao X, et,al, Preparation of heteropolyacid/TiO2/fly-ash-cenosphere photocatalyst for the degradation of ciproflox

9、acin from aqueous solutionsJ. Appl. Surf. Sci, 2012(258):7008-70156 Huo PW, Yan YS, Li ST, Li HM, Huang WH. Floating photocatalysts of fly-ash cenospheres supported AgCl/TiO2 films with enhanced Rhodamine B photodecomposition activityJ. Desalination .2010(256):1962007 Hong Baofu,et al, Photocorrosio

10、n Inhibition and Enhancement of Photocatalytic Activity for ZnO via Hybridization with C60J. Environ. Sci. Technol. 2008(42):806480698 Mu-Hsiang Hsu, Chi-Jung Chang. Ag-doped ZnO nanorods coated metal wire meshes as hierarchicalphotocatalysts with high visible-light driven photoactivity andphotostab

11、ilityJ. Journal of Hazardous Materials .2014(278):4444539 成莉燕.幾種負(fù)載型半導(dǎo)體光催化劑的制備及其對(duì)太陽(yáng)光降解有機(jī)染料的催化性能D.蘭州，西北師范大學(xué).200810 Y. F. Lin, J. L. Chen, K. S. Chang, et al. Insight Into the Roles of Ethylenediamine and Hydrazine for the Synthesis of ZnO Micro/Nanostructures Using Solvothermal Process J. J. Nanopart.

12、 Res., 2013, 15(1): 1391-139811 R. Yousefi, A. K. Zak. Growth and Characterization of ZnO Nanowires Grown on the Si(111) and Si(100) Substrates: Optical Properties and Biaxial Stress of Nanowires J. Mat. Sci. Semicon. Proc, 2011, 14(2): 170-17412 鄒彩瓊等. 納米ZnO的制備、改性及光催化研究進(jìn)展J.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（40）：499-507

13、13 Jiangchun Wang, Ping Liu ,et al.Relationship between Oxygen Defects and the Photocatalytic Property of ZnO Nanocrystals in Nafion MembranesJ. Langmuir 2009(25):1218-1223三、項(xiàng)目實(shí)施方案及實(shí)施計(jì)劃（實(shí)施方案、實(shí)施辦法、具體實(shí)施計(jì)劃及可行性分析） 實(shí)施方案及辦法： 本次實(shí)驗(yàn)分為部分，一、ZnO-全氟磺酸膜的制備；二、載體鋼網(wǎng)處理及溶液配制；三、氧化鋅晶種的生長(zhǎng)；四、氧化鋅納米柱的生長(zhǎng)；五、性能測(cè)試及表征。 一、ZnO-全氟磺

14、酸膜的制備 在室溫下，通過(guò)硝酸鋅溶液浸潤(rùn)全氟磺酸膜，然后在氫氧化鈉溶液中使其變?yōu)閆nO-全氟磺酸結(jié)構(gòu)，探究利用膜上的親水通道提高其抗光腐蝕能力，具體機(jī)理如下：Zn2+2OH Zn(OH)2 Zn(OH)2 ZnO+H2O Zn(OH)2+2OH- Zn(OH)42- Zn(OH)42- ZnO+ H2O +2OH-然后探索將其應(yīng)用于鋼網(wǎng)表面，在鋼網(wǎng)表面制備抗光腐蝕的氧化鋅納米催化劑。 二、載體鋼網(wǎng)處理及溶液配制以300目的鋼網(wǎng)為載體，配制不同濃度的硝酸鋅、六亞甲基四胺，分別探究其對(duì)鋼網(wǎng)表面氧化鋅晶種的影響。三、氧化鋅晶種的生長(zhǎng)將洗凈的鋼網(wǎng)在醋酸鋅溶液中通過(guò)煅燒等，生長(zhǎng)上一層納米氧化鋅晶種。探究

15、不同溶液濃度、不同的加熱時(shí)間對(duì)其生長(zhǎng)的影響，及對(duì)后期晶體柱生長(zhǎng)的影響。四、氧化鋅納米柱的生長(zhǎng) 利用水熱法生長(zhǎng)出氧化鋅納米柱，水熱法原料來(lái)源廣泛，可探究不同鋅源的晶體柱形狀。如：鋅源用鋅粉、硝酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅或者鋅片等，所用的堿性環(huán)境也可以用多種堿性物質(zhì)，如強(qiáng)堿氫氧化鈉、氨水或者其他可提供堿性環(huán)境的胺類 (諸如六次甲基四胺、乙二胺、乙醇胺等等)，另外，為了更好地控制和引導(dǎo)形貌的形成，也會(huì)添加一些表面活性劑物質(zhì)(如羧甲基纖維素、檸檬酸鈉等)。所以，使用該方法合成得到的氧化鋅結(jié)構(gòu)的形貌特別豐富，產(chǎn)品的純度很高，形貌尺寸大小也易控制。 水熱法所用實(shí)驗(yàn)裝置五、性能測(cè)試及表征1、ZnO樣品的表征 該樣

16、品主要通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行表征。并利用X射線衍射儀對(duì)該樣品進(jìn)行XRD物相分析。采用接觸角測(cè)定表征包覆氧化鋅的鋼絲網(wǎng)的浸潤(rùn)性。以此來(lái)判斷其油水分離的效果。 2、催化性能測(cè)試 比較不同條件下制備的鋼網(wǎng)表面負(fù)載氧化鋅在紫外線下對(duì)羅丹明B的降解效果及穩(wěn)定性，找出最佳制備條件。具體實(shí)施計(jì)劃先分別探究不同濃度的“種子溶液”及水熱合成條件對(duì)氧化鋅晶形生長(zhǎng)的影響，找出最佳條件，在此條件下，探究如何提高其光穩(wěn)定性及對(duì)紫外線的利用率。可行性分析 ZnO 具有無(wú)毒、原料易得、制備成本低和生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，尤其在光催化降解有毒有機(jī)污染物方面逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。已有報(bào)道表

17、明，ZnO在降解生物難降解的有毒有機(jī)污染物方面比廣泛研究的TiO2表現(xiàn)出更高的光催化活性和量子產(chǎn)率,被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的高活性光催化劑之一。 本次試驗(yàn)采用水熱法合成納米氧化鋅，水熱合成法條件比較溫和，在實(shí)驗(yàn)室條件下可以順利進(jìn)行，經(jīng)過(guò)前期的探索，已經(jīng)在鋼網(wǎng)表面合成出六方柱型納米氧化鋅，具備一定的研究基礎(chǔ)，后期主要進(jìn)行最佳制備條件的探索及光穩(wěn)定性的提高。四、預(yù)期成果 1、探索出鋼網(wǎng)表面負(fù)載納米氧化鋅的最佳制備條件，在較溫和的條件下制備出能夠同時(shí)進(jìn)行油水分離和降解水中有機(jī)污染物的納米氧化鋅復(fù)合材料，該材料具有應(yīng)用范圍廣、廉價(jià)無(wú)毒、降解效率高、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。2、完成其性能測(cè)試及表征。探究出其催化機(jī)

18、理及晶體形成生長(zhǎng)的條件。3、利用在載體表面構(gòu)建親水通道，提高納米氧化鋅的抗光腐蝕及酸堿腐蝕的能力，進(jìn)而解決其循環(huán)率及對(duì)光的利用效率問(wèn)題。五、本項(xiàng)目的特點(diǎn)與創(chuàng)新之處 特點(diǎn)：本項(xiàng)目利用廉價(jià)的材料合成高效、可回收的納米氧化鋅催化劑，對(duì)我國(guó)目前的水污染等問(wèn)題提出解決思路，該方法利用光催化機(jī)理對(duì)有機(jī)印染污水進(jìn)行處理，成本低廉，克服了傳統(tǒng)的物理方法、生物方法造價(jià)高、效率低、易造成二次污染等缺點(diǎn)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。 創(chuàng)新之處：文獻(xiàn)中有研究提高氧化鋅光穩(wěn)定性的，有制備氧化鋅光催化劑的，但如何將二者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，目前文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道，本項(xiàng)目在鋼網(wǎng)表面合成納米氧化鋅光催化劑的同時(shí)，提高其光穩(wěn)定性，增加其實(shí)際應(yīng)用

19、性。六、研究基礎(chǔ)1. 負(fù)責(zé)人與本項(xiàng)目相關(guān)的專業(yè)知識(shí)積累和已取得的成績(jī)；指導(dǎo)教師的教學(xué)、科研工作積累和已取得的工作成績(jī)；項(xiàng)目組成員的學(xué)習(xí)情況。 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王智遠(yuǎn)對(duì)光催化機(jī)理、納米晶型的生長(zhǎng)有一定的研究，閱讀過(guò)大量相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)該項(xiàng)目有過(guò)前期的探索鋪墊。 項(xiàng)目組各成員學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)異，對(duì)自己負(fù)責(zé)的領(lǐng)域也有一定的了解。各成員認(rèn)真負(fù)責(zé)，對(duì)該項(xiàng)目具有極大的熱情。 指導(dǎo)教師王金剛老師教學(xué)成果突出，具備多年指導(dǎo)SRT的經(jīng)驗(yàn)，研究的主要領(lǐng)域?yàn)榧{米催化劑的制備。在光催化、無(wú)機(jī)納米材料的制備的相關(guān)領(lǐng)域具有一定的研究成果。2. 已具備的條件、尚缺少的條件和擬解決的途徑（包括利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地等的計(jì)劃與落實(shí)情況）已具備條件：實(shí)驗(yàn)室已