研究生科研创新项目填写参考实例

1、研究生科研创新项目申请书项目名称： 纳米*覆层结构的*法制备及光催化性能研究申请者：*申请层次：硕士项目指导教师：*职称：*1所在单位：*联系电话：*传真电话：电子信箱：二申请日期：2019年9月5日天津市教育委员会2019年制简表项目 名称纳米*覆层结构的*法制备及光催化 性能研究研 究 类 别基础研究基础研究应用研究试验发展研究 年限2019年9月至2021年4月申请经费 （万元）1项目人姓名性别女身份 证号年级学科专业及 研究方向指导 教师姓名性别男身份 证号技术职称学科专业及 研究方向目前指导 学生数硕士： 3名联系 电话主要 研究 人员姓名身份证号码技术职 务专业所在单位本人签名项目

2、人主 要学 习和 工作 经历2018.09-2019.09 :*2018 级材料科学与工程专业，硕士生。2014.09-2018.07 :*2014 级材料科学与工程专业，本科生。、立项依据1 .研究意义环境是目前人类面临的主要挑战之一，解决环境污染刻不容缓。如何高效、 环保、低价的处理环境污染问题就是材料和化学科学家关注的焦点。由于某些半导体化合物具有显著的光学效应和光催化降解活性，为解决污水净化提供了 新途径。例如，MoS具有类石墨烯层状结构并且具有天然带隙，块体和单层MoS2 的禁带宽度分别为1.3eV和1.8 eV。当其厚度逐渐减小至单层时，其带隙 由间接带隙转变为直接带隙，这使 Mo

3、S2在光电探测、能量存储、气体传感， 可见光催化等方面具有广阔的应用前景1-3。从目前的研究基础和技术层面 看，单层的MoS性能特出，但制备方法复杂，量产困难，难以在实际产业中大 量应用。而单纯的MoS纳米粉体，由于自身片层结构易于聚集和重叠， 具光催 化活性太低。因此，通过*和复合的方法将二硫化铝薄层与其它纳米半导体 氧化物进行有效复合，通过其覆层结构界面上的光电耦合效应，显著提高其催化活性是一种有益的尝试。研究显示，ZnO一种直接带隙R -VI族半导体材料，具有六方纤锌矿结 构，室温下带隙宽度为3.37eV,在紫外光下有优良的催化性能和强烈的荧光 现象。因其能带间隙较大，光生载流子与空位容

4、易复合，在可见光段具催化性 能、荧光强度大幅降低，最大限度的提高ZnO的可见光催化效应及稳定性就成 了关键问题。如果能将储量巨大、性质稳定的天然二硫化铝通过适当的方法制 备成薄层或单层结构复合在纳米氧化锌表面上形成 *覆层异质结构，使两种 不同能带隙的材料达到光电性能的有效耦合， 就可能有效提高该材料的可见光 催化效果。因此，深入研究*覆层的*和覆层方法以及光催化机理，阐明工 艺、结构、性能之间的规律，在丰富和发展硫化铝复合材料制备方法和性能研 究方面具有重要的科学意义，而且在解决环境污染方面具有实际意义。2 .国内外研究现状和发展趋势目前在提高MoS光致发光方面的方法可以分为两大类。一种是化

5、学方法， 这是一种通过控制载流子浓度的的技术。Amani等4利用有机酸双（三氟甲烷） 磺酰亚胺（TFSI ）处理单层MoS, Mouri等通过四氟二甲基对苯酿（F4TCNQ） 和四氟基对苯二酶二甲烷（TCNQ）等p型掺杂剂处理单层MoS,均使二硫化 旬光致发光强度增加；但其对实验条件要求苛刻，并且随着时间的变化，其光 致发光效应会逐渐衰弱。改善MoS2光致发光性能的另一种方法是利用等离子 体共振效应6 o等离子体共振效应是利用金属纳米粒子在谐振波段展现出很强 的光谱吸收，从而获得局域表面等离子共振光谱70 Lee等网在2017年提出 利用自组装的Au纳米颗粒改善MoS的光致发光强度的方法，成功

6、将 MoS2的 光致发光强度提高了 10倍左右。但这种方法成本较高，限制了其实际应用。单层的二硫化铝表现出优异的光催化性能。 Ya Yan等通过溶剂热的方 法制备了超薄MoS纳米片，由于高的比表面积，超薄 MoS纳米片表现出优异 的催化性能。然而，本征MoS由于激子集合能高，导致光生电子空穴容易复合， 严重影响了 MoS的光降解效率。上述处理方法虽然能够提高 MoS的光致发光性能，光催化性能，但其对二 硫化铝的层数都有较大的要求，这是很受限制的。通过各种实验数据发现，MoS 的光致发光有p型增强，n型抑制的特性，这使得通过物理复合非金属元素 或化合物至MoS2薄膜晶体中以提高其光致发光效率成为

7、可能。而且将不同禁 带宽度半导体材料复合，可以在界面处建立界面异质结电场10-11,利用该电场对光生电子和空穴的分离作用，可以有效调制复合物光致发光性能及光催化效率。 Tan等12使用MoS-ZnO复合纳米颗粒对亚甲基蓝光降 解实验表明，与纯MoS纳米颗粒相比，沉积有ZnO纳米粒子的光催化效 率明显更高，对亚甲基蓝光催化降解实验证实，ZnO的存在能够显著提高光催化性能，其主要原因是由于 ZnO的加入减少了 MoS纳米颗粒上电子- 空穴对的复合。另外，MoS2纳米颗粒沉积在 TiO2纳米带上制得的复合材 料，对罗丹明B的光降解活性明显优于纯TiO2纳米带13。但是目前尚未有关于通过纳米粒子与天然

8、二硫化铝的互剪切作用将薄层二硫化铝覆层 于纳米材料表面的研究报告。基于上述分析，本项目尝试利用纳米氧化锌粒子与二硫化铝层间的互剪切 作用，实现对天然二硫化铝层的减薄以及*覆层异质结构的形成。天然二硫 化铝在自然界的产量是极其丰富的，相对于以往的化学合成方法，往往需要昂 贵的原料来制备薄层的二硫化铝，此方法大大提高了对天然资源的利用率， 也 为复合材料制备方法提供了新的途径。并且利用不同禁带宽度半导体界面处的异质结电场对光生电子和空穴的分离作用，可以有效调制复合物光致发光性能。通过提高先生电子和空穴分离与转移能力，可以有效提高光催化效率。3 .项目应用前景和学术价值通过*和纳米粒子互剪切的方法使

9、天然二硫化铝与纳米氧化锌形 成纳米*覆层结构复合物，不同带隙的两种材料使复合物的光催化范围 得到大幅拓宽，可能能够得到在紫外光下及太阳光下皆具有优异催化性 能的复合纳米材料，从而在处理污水污染等环境问题方面有巨大的应用 前景。深入研究*覆层结构的物理制备方法机制，及这两种半导体材料 界面处的异质结电场对光生电子和空穴的分离作用，更是在丰富和发展 复合材料制备方法和性能研究方面具有重要的科学意义。参考文献1 Electrochemical Research; Findings from Hong Kong Polytechnic University in the Area of Electro

10、chemical Research Reported (Ultrathin Sheets of MoS2/g-C3N4 Composite As a Good Hosting Material of Sulfur for Lithium-sulfur Batteries)J. Energy Weekly News,2019.455: 389-395.2 Biosensors; Data from National Institute of Standards and Technology Advance Knowledge in Biosensors (Quantum capacitance-

11、limited MoS biosensors enable remote label-free enzyme measurements)J. Biotech Week,2019.15622- 15632.3 Freedy Keren M,Zhang Huairuo, Litwin Peter M,Bendersky Leonid A,Davydov Albert,McDonnell Stephen J. Thermal Stability of Titanium Contacts to MoS2.J. ACS applied materials & interfaces,201

12、9.4 Amani M , Lien D H , Kiriya D , et al. Near unity photoluminescence quantum yield in MoS2 J . Science, 2015, 350( 6264) : 1065-1068.5 Mouri S , Miyauchi Y H , Matsuda K, et al. Tunable photoluminescence of monolayer MoS2 via chemical doping J . Nano Letters, 2013, 13( 12): 5944- 5948.6 Liu W J ,

13、 Lee B, Naylor C H , et al. Strong exciton plasmon coupling in MoS2coupled with plasmonic lattice nano letters J. Nano Letters, 2017, 16: 1262 1269.7 Kang Y M , Li B , Fang Z Y. Radiative energy transfer from MoS2 excitions to surface plasmons J . Journal of Optical, 2017, 19:124009.8 Lee M G, Y S J

14、, Kim T H , et al. Large area plasmon enhanced two一 dimensional MoS2 J . Nanoscale 2017, 25( 13) : 1456514574.9 YAN Y ,XIA B , GE X ,et al. Ultrathin MoS2nano plates with rich active sites as highly efficient catalyst for hydrogen evolution J . ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5( 24) :

15、12794-12798.10 Ge L,Han CC Liu J, et al。Novel visible light -induced g-C 3N4/Bi 2Wo6 composite photocatalysts for efficient degradation of methyl orangeJ.Applied Catalysis B:Environmental,2011,108-109:100-10711 GeL,Han CC,Xiao X L, et al. Synthesisandcharacterization of composite visible light activ

16、e photocatalysts MoS2-g-C3N4 with enhanced hydrogen evolution activity J. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38 (17): 6960 -6969.12 Tan Y H, Yuk, Li J Z, etal. MoS 2ZnOnano-heterojunctions with enhanced photocatalysis and field emission properties J. Journal of Applied Dynamics, 2014, 1

17、16 (6):064305-1.13 Liu H, L V T, Zhu CK, et al. Efficient synthesis of MoS 2 nanoparticles modified TiO2 nanobelts with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity J. Journal of Molecular Catalysis A-Chemical,2015,396 (1) : 136 -1424 .研究基础及条件、指导教师(1)研究基础申请人*在硕士学习阶段一直参与纳米材料方面的应用基础研究，目前 对纳米氧

18、化锌，二硫化铝具备扎实的理论水平和实验技术基础。在读期间进行了大量的实验研究，具备较好工作基础。申请人参与科研情况：(1)通过超声剥离法处理体相二硫化铝，以获得减薄的二硫化铝，并且 尝试合成金纳米粒子修饰的二硫化铝材料，通过测试XRD#分析材料的物相及 各相相对含量，测试Raman析二硫化铝特征拉曼峰强度及位置来确认二硫化 钥层数是否得到减薄及其薄层表面状态，并且通过等离子体共振效应来确认金 纳米粒子是否成功负载于薄层二硫化铝；利用氨水对体相二硫化铝在不同温度 或不同时间下进行保温处理，探究氨水是否能够对二硫化铝起到减薄作用。(2)以二水乙酸锌为溶质，一定比例的水和乙醇作为溶剂制备片状纳米 氧

19、化锌，尝试将其与二硫化铝复合，通过XR说析产物中两中材料的存在状态； 在荧光测试中发现二硫化铝的存在可以调制纳米氧化锌的光致发光作用；在拉曼测试中发现复合物中二硫化铝的特征峰得到增强，氧化锌特征拉曼峰则被大幅削弱；将纳米氧化铝与二硫化铝复合，测试性能，复合物中二硫化铝拉曼强 度同样得到增强。(3)利用溶剂热法制备片状氧化锌，将其与天然体相二硫化铝通过物理 方法在常温下复合，尝试获得薄层二硫化铝覆层于氧化锌表面的纳米复合物。 结果发现随着二硫化铝含量的增加，复合物中ZnO在紫外区的光致发光性能被 减弱，但当二硫化铝含量增至 2.5%寸，其又有所增强；并且ZnO在紫外区的 荧光峰随着二硫化铝含量的

20、增加其蓝移现象愈加明显。在二硫化铝含量仅仅为0.42%时，复合物中ZnO的拉曼活性就被大幅度削弱，MoS的拉曼强度相比于 其它含量时达到最强；并且二硫化铝的特征拉曼峰发生蓝移，峰间距变小。参与项目： *发表的论文：*(2)工作条件申请人所在单位具有与项目研究相关的显微分析室、物相分析室、光谱分析室、Xe光源光催化反应实验室等。主要大型研究设备及功能为： DX2000型X射线衍射仪：可对样品进行物相分析。 CSPM-2000wet型原子力显微镜：样品局部显微形貌分析。 WFX- IE2型原子吸收光谱仪：样品化学成分分析、元素分析； UV4501型紫外吸收光谱仪：样品紫外吸收性能和化学成分的分析；

21、 日立F-7000荧光光谱仪：样品紫外-可见光之发光性能分析； Xe光源光催化反应暗室：测试样品光催化性能； 显微拉曼光谱仪：表征产物拉曼活性； pixera150cLM显微摄像系统：样品形貌观测； I30型傅立叶红外光谱仪：两种材料界面结构和结合状态的分析。(3)指导教师：三、研究方案 .研究目标、研究内容和拟解决的关键问题(1)研究目标本项研究旨在通过*和纳米粒子自剪切的方法，制备*覆层结构，深入 研究工艺方法、硫化铝含量、界面结构等与 *覆层结构之间的关系和规律， 阐明二硫化铝对*覆层结构发光及光催化性能的影响机制， 显著提高*的可 见光催化性能，促进其在污水光催化净化产业上的实际应用。

22、(2)研究内容*覆层结构制备方法的研究：根据物理机械剪切作用和界面弱相互作 用原理，在不同的研磨时间、研磨介质、热处理条件下，采用 *与复合方法 制备系列*样品，阐明上述因素之间的关联性，优化制备方法和工艺参数， 完善*覆层结构的制备方法。*覆层结构的发光及光催化性能研究：阐明二硫化铝含量对复合物发光性能影响规律；二硫化铝含量对复合物光催化性能影响规律；复合物的可见光吸收和紫外发光特征。二硫化铝含量对*覆层结构光致发光及光催化性能调制机制：二硫化 铝特殊易剥离的层状结构，具层状表面暴露的带负电的高能 S边缘，随层数变 化的带隙宽度特性，以及纳米氧化锌粒子对天然二硫化铝层的剪切作用，都有助于构造

23、*覆层结构，从而构造两种材料的异质结电场。结合结构形貌表征， 进一步阐明不同条件下所形成的*覆层结构对纳米氧化锌光学性能的调制机 制。(3)关键问题*覆层结构对纳米复合物的光致发光性能调制作用；*覆层结构纳米复合物光催化性能机理；2,拟采取的研究方法及可行性分析(1)研究方法通过溶剂热法制备片状纳米氧化锌。在不同的研磨时间、研磨介质、热 处理条件下，采用*和纳米粒子互剪切的方法形成*覆层结构。通过XRDR 分析复合物的相组成，SEM TEM来观察*覆层结构的微观形貌，阐明上述因 素之间的关联性，完善*覆层结构的制备方法。通过荧光测试结合Ramark谱测试阐明不同条件下二硫化铝含量对复 合物发光

24、性能影响规律，通过对不同有机物的系列光催化降解实验阐明二硫化 铝含量对复合物光催化性能影响规律。以紫外吸收光谱仪和荧光光谱仪对复合物的可见光吸收和紫外发光特 征进行表征，结合XRD运用能带理论、晶体缺陷理论和晶体场理论，阐述* 覆层结构复合物的光学性能以及影响机理。(2)可行性分析已有研究结果表明，二硫化铝覆与氧化锌可以形成特殊的界面异质结构， 异质结电场对光生电子和空穴的分离作用，可以有效调制复合物光致发光性 能，通过提高先生电子和空穴分离与转移能力，可以有效提高光催化效率。并且本课题组多年从事纳米材料的研究工作，在纳米材料的晶体生长、形 貌控制、气敏性能、光吸收与散射以及光谱学特征等方面做

25、了深入的研究，对 于纳米材料的制备及表征有丰富的实验经验和严实的理论基础。申请者本人已经对纳米二硫化铝、氧化锌材料的制备和性能有深入的了解，对实验过程可以 熟练操作，有利于研究工作的顺利展开，同时也对各种分析测试手段有深入的 了解。而且实验所需的大型设备基本具备。由此对实验条件而言，本项目的研 究内容完全可以实现。另外团队组成员也对课题所能遇到的困难和难点进行了充分分析， 对可能 出现的问题进行了预测，明确了各自的主攻方向，分工和配置明确，通力合作， 研究内容充实，研究方案切实可行，完全可以实现本项目的研究目标。3.本项目的创新之处(1)相比于化学合成制备薄层的二硫化铝，本项目通过利用氧化锌纳

26、米 粒子与天然二硫化铝的互剪切作用,实现了对天然二硫化铝层的减薄以及*覆层异质结构的形成；(2)通过利用*覆层结构处异质结电场对光生电子和空穴的分离作用调制复合物光致发光性能，通过*覆层异质结构提高先生电子和空穴分离与 转移能力，提高该纳米复合物光催化效率。4 .预期进展2019.09-2019.12(1)确立实验方案，得到最佳合成工艺参数；(2)材料合成与制备，合成所需纳米氧化锌，制备 *覆层结构化合物； 2019.01-2020.03材料结构表征，样品的晶体结构、表面形貌，研究覆层结构的形成；2019.04-2020.06材料光学性能测试，样品的光催化性能测试，阐明光催化机理；2020.0

27、7-2020.09整理实验数据，撰写发表论文，论文发表，结题。5 .预期成果(1)在本领域国际知名学术刊物上发表 SCI或EI学术论文1篇；(2)查明*覆层结构纳米复合物合成机制；(3)研究*覆层结构纳米复合物复合物的性能；(4)提交研究报告1份。四、研究基础1 .项目负责人*，女，* , 2018级材料科学与工程专业，硕士生项目负责人在硕士学习阶段一直参与纳米材料方面的应用基础研究， 目前 对纳米氧化锌，二硫化铝具备扎实的理论水平和实验技术基础。 在读期间进行 了大量的实验研究，具备较好工作基础。科研情况：(1)通过超声剥离法处理体相二硫化铝，以获得减薄的二硫化铝，并且 尝试合成金纳米粒子修饰的二硫化铝材料，通过测试XR冰分析材料的物相及 各相相对含量，测试Rama也析二硫化铝特征拉曼峰强度及位置来确认二硫化 钥层数是否得到减薄及其薄层表面状态，并且通过等离子体共振效应来确认金