CsPbBr3的制備及其光催化性能的研究
2019年06月05日 11:06
所屬學院： [] 點擊：
湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃
項 目 申 報 表
項目名稱：
如果您無法在線瀏覽此 PDF 文件，則可以
下載免費小巧的 福昕(Foxit) PDF 閱讀器,安裝后即可在線瀏覽 或
下載免費的 Adobe Reader PDF 閱讀器,安裝后即可在線瀏覽 或
下載此 PDF 文件
學校名稱： 長沙理工大學
項目成員：段吉鵬 陳宇輝 余麗婷 梁永瑞 范 娟
指導老師： 龔 麗
申請日期： 2018年4月26日
湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃
項 目 申 報 表
項目名稱: CsPbBr3的制備及其光催化性能的研究
|
學校名稱
|
長沙理工大學
|
學生姓名
|
學 號
|
專 業
|
性 別
|
入 學 年 份
|
段吉鵬
|
201639160418
|
無機非金屬材料工程
|
男
|
13975311367
|
陳宇輝
|
201639160121
|
無機非金屬材料工程
|
男
|
18229797932
|
余麗婷
|
201639160210
|
無機非金屬材料工程
|
女
|
18774008310
|
梁永瑞
|
201639160216
|
無機非金屬材料工程
|
男
|
17695147035
|
范 娟
|
201639160301
|
無機非金屬材料工程
|
女
|
18573106225
|
項目所屬
一級學科
|
龔麗
|
項目科類(理科/文科)
|
理科
|
學生曾經參與科研的情況
1. 具有基本的實驗操作能力，能夠熟練使用基本的實驗器材，能夠很好的進行各種基本實驗。
2. 參與鈣鈦礦太陽能電池的制備及性能測試的研究。
能熟練掌握勻膠-旋涂儀、平板加熱儀、超聲波清洗儀、干燥箱等相關實驗儀器。
|
指導教師承擔科研課題情況
1. 完成主持國家自然科學基金項目1項；
2. 長沙理工大學人才引進基金項目1項；
3. 完成主持浙江大學硅材料國家重點實驗室開放課題1項；
4. 完成主持湖南省教育廳項目1項；
5. 完成主持國家留學基金項目1項；
6. 參與國家自然科學基金及湖南省自然科學基金多項。
|
項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題
1. 項目研究和實驗目的
二十一世紀人類可持續發展面臨的兩大問題就是能源問題和環境問題。太陽能是一種既清潔又可再生的能源，因此如何有效地利用和轉化太陽能是各國能源領域的科學家們一直努力的目標。半導體光催化技術正是以太陽能的化學轉化為核心的技術，光催化技術中光解水制氫的技術將有望解決能源枯竭的問題，而光催化降解有機污染物，將便捷地為我們提供一個綠色環保的生活空間，因此光催化技術在能源清潔和環境保護領域具有廣闊的應用前景。
在對CsPbBr3性能相關文獻查閱后了解到，CsPbBr3具有鈣鈦礦型結構，是一種良好的電荷傳輸材料，能作為電荷傳輸的良好載體。而目前對于CsPbBr3光催化方面的研究報道較少，因此項目具有良好的研究前景。
2. 實驗內容
本實驗以PbBr2、CsBr為原料，通過固相反應法制備CsPbBr3，研究CsPbBr3的光催化性能。
（1）制備流程
常溫下，用天平稱取等物質的量的 PbBr2 和CsBr，將兩種物質放入以提前處理干凈的瑪瑙研缽(先用丙酮浸泡 24h，除去有機物，然后用超聲清洗)。充分研磨，使兩種物質充分混合。由于 CsBr 和 PbBr2 反應較劇烈，在常溫下即可發生反應，所以當研磨一小會兒就會發現，白色粉體被研磨部分變成淡黃色，表明 PbBr2 和 CsBr 已經開始反應生成 CsPbBr3。為了達到 PbBr2和 CsBr 充分接觸反應，研磨時間要盡量長一些(一般研磨 1h 以上)，最后得到顏色均勻的淡黃色粉末。
（2）表征CsPbBr3的光催化性能
通過CsPbBr3對甲基橙溶液的脫色率來評價的CsPbBr3的光催化性能。pH=3的甲基橙溶液的最大吸收波長為510 nm，所以采用在波長為510 nm條件下測定甲基橙的吸光度，通過甲基橙吸光度的變化可以計算出甲基橙的脫色率，脫色率的計算公式為：
式中η為甲基橙的脫色率;A0為甲基橙的初始吸光度;At為光照時間t時甲基橙的吸光度。
3. 要解決的主要問題
制備高活性、強催化效應、穩定性好、持續作用時間長以及對環境無害的光催化材料。
|
國內外研究現狀和發展動態
CsPbBr3具有高平均原子序數(Cs：55，Pb：82，Br：35)，高電阻率(1011??cm)，寬禁帶寬度(2.26 e V)，較大的載流子遷移率壽命積等優點，是一種非常有前景的室溫半導體核輻射探測新材料。目前對溴鉛銫單晶的生長和研究還非常少，處于起步階段。
CsPbBr3 的研究開始于 20 世紀 50 年代，但是一直沒有作為 X 射線或射線探測器材料作為研究CsPbBr3 是正交晶系，室溫下單晶衍射儀測試結果為扭曲的鈣鈦礦結構，晶體結構如圖一所示。
圖一 CsPbBr3的晶體結構
CsPbBr3具有較大的原子序數(Pb：82，Cs：55，Br：35)，決定了它具有較高的射線吸收系數。CsPbBr3 禁帶寬度為 2.26e V，禁帶寬度較大，這決定了CsPbBr3可以在室溫下工作，有較大的電阻率和較小的室溫漏電流決定了它會有較高的能量分辨率。同時，CsPbBr3的載流子遷移率壽命積也比較大(電子的遷移率壽命積為大約為1.7×10-3cm2/V，空穴的遷移率壽命積為 1.3×10?3 cm2/V)，是一個很好的電荷傳輸材料。
CsPbBr3的帶隙為2.3eV，TiO2禁帶寬度較大(3.2eV，只能吸收波長小于387nm的紫外光(占太陽光能量不到5% )，而對可見光(占太陽光能量約50%)沒有響應。相比之下CsPbBr3的禁帶寬度更窄，對太陽光的利用率更高。
關于CsPbBr3的性能研究，著重在光電性能的研究。而關于光催化性能的研究，目前還沒有相關研究報道。
目前CsPbBr3的合成方法主要有溶液合成法和固相合成法、溶膠凝膠法。而溶膠凝膠法主要用于合成 CsPbBr3 薄膜或量子點，由于技術復雜，產量低不太適合用來合成原料。對于合成所用原料比較適合方法是溶液法和固相合成法。
液相合成 CsPbBr3 主要是利用PbBr2 溶液和 CsBr 溶液反應生成 CsPbBr3 粉體。液相反應過程中需要特別注意 PbBr2 溶液和 CsBr 溶液的混合方式。不同混合方式會有不同的產物生成。同時使用溶液反應由于溶劑中本身雜質的存在，會對合成的粉體中引入新的雜質，不利于得到性能優良晶體的。由于 CsPbBr3 會有一部分溶于溶劑中，會在洗滌過程中隨溶劑流失。因此對原材料造成了一定的浪費，同時 CsPbBr3 產量會降低。由于溶液合成法的以上不足之處，所以采用固相反應生成CsPbBr3更為合適。PbBr2 和 CsBr 反應形成 CsPbBr3 過程如圖二所示。
圖二 CsPbBr3固相反應過程示意圖
常溫下，用天平稱取等物質的量的 PbBr2 和CsBr，將兩種物質放入以提前處理干凈的瑪瑙研缽(先用丙酮浸泡24h，除去有機物，然后用超聲清洗)。充分研磨，使兩種物質充分混合。由于 CsBr 和 PbBr2 反應較劇烈，在常溫下即可發生反應，所以當研磨一小會兒就會發現，白色粉體被研磨部分變成淡黃色，表明 PbBr2 和 CsBr 已經開始反應生成 CsPbBr3。為了達到 PbBr2 和 CsBr 充分接觸反應，研磨時間要盡量長一些(一般研磨 1h 以上)，最后得到顏色均勻的淡黃色粉末。
|
本項目學生有關的研究積累和已取得的成績
1. 對該項目具有一定的理論基礎
（1）CsPbBr3具有鈣鈦礦結構，載流子遷移率高，是良好的電荷傳輸材料。
（2）CsPbBr3的帶隙為2.3eV，TiO2的帶隙為3.2eV，帶隙寬度越窄，對太陽光的利用率更高。
（3）光催化反應原理：它是一種低溫深度反應技術，光催化納米粒子在一定波長的光線照射下，受激生成電子-空穴對，空穴分解催化劑表面吸附的水產生氫氧自由基，電子使其周圍的氧還原成活性離子氧，從而具備極強的氧化-還原作用，將光催化劑表面的各種污染物摧毀。
2. 有一定的實驗基礎
（1）參與鈣鈦礦太陽能電池的制備，能熟練掌握其制備過程。
（2）參與CsPbBr3薄膜的制備，掌握勻膠-旋涂儀等相關儀器的操作方法。
3. CsPbBr3薄膜的制備
首先使用勻膠-旋涂儀制備PbBr2薄膜，將膜浸泡到CsBr溶液中，用異丙醇洗滌，氮氣吹干。然后放到平板加熱臺上，退火10min。得到CsPbBr3薄膜樣品。如下圖所示：
CsPbBr3薄膜實驗樣品圖
對樣品進行X射線衍射分析，所得結果如下圖：
XRD圖
|
項目的創新點和特色
本項目研究CsPbBr3光催化性能，相對于傳統光催化材料TiO2，CsPbBr3禁帶寬度更小，擁有更寬的吸收帶，TiO2由于禁帶寬度為3.2eV，只能吸收紫外波段的光，效率較低，而CsPbBr3（禁帶寬度2.3eV）能吸收可見光部分，對光的利用率大大提升。同時，全無機鈣鈦礦CsPbBr3不含有機成分，其穩定性大大增強，能穩定傳輸光電子。因此，制備CsPbBr3光催化材料將擁有廣闊的應用前景。
|
項目的技術路線及預期成果
1. 技術路線（固相反應法）
 
 
 
 
 
 
 
2. 預期成果
（1）通過上述實驗流程制備光催化性能較好的CsPbBr3；
（2）根據實驗過程和實驗結果公開發表發表1-3篇學術論文。
|
年度目標和工作內容（分年度寫）
1. 2018年3月-2019年2月
根據實驗方案進行CsPbBr3的制備，并根據實驗情況對實驗方案進行改進。
2. 2019年3月-2020年2月
研究CsPbBr3光催化性能，制備光催化性能較好的CsPbBr3。
|
指導教師意見
簽字： 日期：
|
