Разработка методик управления адсорбционными фотокаталитическими свойствами нанокомпозитов
|
Введение
1 Управление нанодизайном и физико-химическими свойствами нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников, используемых при создании фотокатализаторов и газовых сенсоров
1.1 Улучшение фотокаталитических свойств диоксида титана путём
8 создания нанокомпозитов с серебром и оксидом вольфрама
1.2 Изменение фотокаталитической активности наноструктур с инвертированной опалоподобной структурой путём осаждения атомных 14 слоёв
1.3 Наноструктуры «оксид цинка - перовскит» с улучшенными газочувствительными свойствами
1.4 Методика синтеза наноструктурированных плёнок ZnO 24
2 Методики управления наноструктурой нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников
2.1 Моделирование управления структурой нанокомпозитов оксида цинка путём изменения технологических параметров синтеза
2.2 Исследование влияния времени нагрева золя на протекающие в нём процессы с использованием ИК-спектроскопии
2.3 Методика управления нанодизайном нанокомпозитов оксида цинка путём создания локальных фрактальных наноструктур
3 Методики управления фотокаталитическими свойствами нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников
3.1 Исследование влияния времени отжига плёнок на фотокаталитические свойства оксида цинка
3.2 Исследование времени нагрева золя на фотокаталитические свойства плёнок оксида цинка
3.3 Исследование влияния наночастиц серебра на свойства плёнок оксида цинка
4 Способы управления адсорбционными и газочувствительными свойствами нанокомпозитов металлооксидных полупроводников
4.1 Модели проводимости наноструктур на основе металлооксидных полупроводников зернистой структуры
4.2 Моделирование газочувствительности наноструктур оксида
цинка, состоящих из наночастиц различного размера
4.3 Исследование распределения центров адсорбции плёнок оксида
цинка индикаторным методом
5 Расчёт себестоимости изготовления фотокатализатора на основе нанокомпозита оксида цинка с серебром
Заключение
Список использованных источников
Приложение А. Задание на магистерскую диссертацию
Приложение Б. Презентация к ВКР
Приложение В. Заявление и протокол проверки ВКР на оригинальность в системе «Антиплагиат.ВУЗ»
1 Управление нанодизайном и физико-химическими свойствами нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников, используемых при создании фотокатализаторов и газовых сенсоров
1.1 Улучшение фотокаталитических свойств диоксида титана путём
8 создания нанокомпозитов с серебром и оксидом вольфрама
1.2 Изменение фотокаталитической активности наноструктур с инвертированной опалоподобной структурой путём осаждения атомных 14 слоёв
1.3 Наноструктуры «оксид цинка - перовскит» с улучшенными газочувствительными свойствами
1.4 Методика синтеза наноструктурированных плёнок ZnO 24
2 Методики управления наноструктурой нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников
2.1 Моделирование управления структурой нанокомпозитов оксида цинка путём изменения технологических параметров синтеза
2.2 Исследование влияния времени нагрева золя на протекающие в нём процессы с использованием ИК-спектроскопии
2.3 Методика управления нанодизайном нанокомпозитов оксида цинка путём создания локальных фрактальных наноструктур
3 Методики управления фотокаталитическими свойствами нанокомпозитов на основе металлооксидных полупроводников
3.1 Исследование влияния времени отжига плёнок на фотокаталитические свойства оксида цинка
3.2 Исследование времени нагрева золя на фотокаталитические свойства плёнок оксида цинка
3.3 Исследование влияния наночастиц серебра на свойства плёнок оксида цинка
4 Способы управления адсорбционными и газочувствительными свойствами нанокомпозитов металлооксидных полупроводников
4.1 Модели проводимости наноструктур на основе металлооксидных полупроводников зернистой структуры
4.2 Моделирование газочувствительности наноструктур оксида
цинка, состоящих из наночастиц различного размера
4.3 Исследование распределения центров адсорбции плёнок оксида
цинка индикаторным методом
5 Расчёт себестоимости изготовления фотокатализатора на основе нанокомпозита оксида цинка с серебром
Заключение
Список использованных источников
Приложение А. Задание на магистерскую диссертацию
Приложение Б. Презентация к ВКР
Приложение В. Заявление и протокол проверки ВКР на оригинальность в системе «Антиплагиат.ВУЗ»
Темой выпускной квалификационной работы является «Разработка методик управления адсорбционными и фотокаталитическими свойствами нанокомпозитов».
Нанокомпозиты металлооксидных широкозонных полупроводников обладают уникальными физико-химическими свойствами, что обуславливает их широкое применение в газовых сенсорах нового поколения и в перспективных высокоэффективных фотокатализаторах.
Одним из часто используемых широкозонных металлооксидных полупроводников, на основе которых создаются наноструктурные материалы, является оксид цинка. Важной особенностью данного материала является возможность изготовления на его основе наноструктур, обладающих большим количеством активных центров адсорбции и увеличенной площадью поверхности. Для изготовления нанокомпозитов оксида цинка можно применять дешёвую и эффективную золь-гель-технологию, позволяющую получать наноструктуры и нанокомпозиты с увеличенной эффективной площадью. Благодаря росту активной площади поверхности наноструктуры обладают улучшенными фотокатали- тическими и газочувствительными свойствами.
Стоит отметить, что золь-гель-технология даёт большие возможности по управлению свойствами получаемых нанокомпозитов, поскольку имеет большое число таких управляемых параметров, как температура и время отжига, время перемешивания золя, концентрации исходных реактивов. Также существует возможность легирования полупроводника и модификации его свойств путём ввода примесей в золь (например, солей меди, индия, железа, ванадия, углеродных наночастиц и т. д.).
Лабораторные исследования нанокомпозитов широкозонных полупроводников показывают, что их использование позволяет существенно улучшить газочувствительные свойства проектируемых газовых датчиков, а также повысить эффективность фотокатализаторов. Благодаря этому многие современные учёные занимаются разработкой методов синтеза нанокомпозитов металлооксидных полупроводников, методами их модификации, а также разрабатывают подходы, позволяющие применять наноструктуры в реальных приборах. Поэтому тема данной выпускной квалификационной работы является актуальной и перспективной.
Целью данной работы является исследование и моделирование методик управления структурой и физико-химическими свойствами нанокомпозитов с управляемым нанодизайном на примере наноструктур оксида цинка.
Достижению поставленной цели исследования способствует решение следующих задач:
- рассмотреть современные достижения в области управления нанодизайном и физико-химическими свойствами нанокомпозитов на основе широкозонных полупроводников;
- разработать методику синтеза наноструктурированных плёнок оксида цинка с различными свойствами;
- построить модель роста наноструктур широкозонных полупроводников во время процессов созревания золя и отжига плёнок;
- исследовать влияние времени нагрева золя на концентрацию наночастиц оксида цинка в золе;
- исследовать влияние времени отжига, времени перемешивания золя и добавления наночастиц серебра на структуру и фотокаталитические свойства наноструктурированных плёнок оксида цинка;
- провести моделирование газочувствительных свойств сенсора на основе наноструктур оксида цинка, состоящих из наночастиц с различными диаметрами;
- исследовать адсорбционные свойства наноструктур оксида цинка с различными температурами отжига с использованием индикаторного метода;
- рассчитать себестоимость изготовления фотокатализаторов на основе оксида цинка и наночастиц серебра.
Нанокомпозиты металлооксидных широкозонных полупроводников обладают уникальными физико-химическими свойствами, что обуславливает их широкое применение в газовых сенсорах нового поколения и в перспективных высокоэффективных фотокатализаторах.
Одним из часто используемых широкозонных металлооксидных полупроводников, на основе которых создаются наноструктурные материалы, является оксид цинка. Важной особенностью данного материала является возможность изготовления на его основе наноструктур, обладающих большим количеством активных центров адсорбции и увеличенной площадью поверхности. Для изготовления нанокомпозитов оксида цинка можно применять дешёвую и эффективную золь-гель-технологию, позволяющую получать наноструктуры и нанокомпозиты с увеличенной эффективной площадью. Благодаря росту активной площади поверхности наноструктуры обладают улучшенными фотокатали- тическими и газочувствительными свойствами.
Стоит отметить, что золь-гель-технология даёт большие возможности по управлению свойствами получаемых нанокомпозитов, поскольку имеет большое число таких управляемых параметров, как температура и время отжига, время перемешивания золя, концентрации исходных реактивов. Также существует возможность легирования полупроводника и модификации его свойств путём ввода примесей в золь (например, солей меди, индия, железа, ванадия, углеродных наночастиц и т. д.).
Лабораторные исследования нанокомпозитов широкозонных полупроводников показывают, что их использование позволяет существенно улучшить газочувствительные свойства проектируемых газовых датчиков, а также повысить эффективность фотокатализаторов. Благодаря этому многие современные учёные занимаются разработкой методов синтеза нанокомпозитов металлооксидных полупроводников, методами их модификации, а также разрабатывают подходы, позволяющие применять наноструктуры в реальных приборах. Поэтому тема данной выпускной квалификационной работы является актуальной и перспективной.
Целью данной работы является исследование и моделирование методик управления структурой и физико-химическими свойствами нанокомпозитов с управляемым нанодизайном на примере наноструктур оксида цинка.
Достижению поставленной цели исследования способствует решение следующих задач:
- рассмотреть современные достижения в области управления нанодизайном и физико-химическими свойствами нанокомпозитов на основе широкозонных полупроводников;
- разработать методику синтеза наноструктурированных плёнок оксида цинка с различными свойствами;
- построить модель роста наноструктур широкозонных полупроводников во время процессов созревания золя и отжига плёнок;
- исследовать влияние времени нагрева золя на концентрацию наночастиц оксида цинка в золе;
- исследовать влияние времени отжига, времени перемешивания золя и добавления наночастиц серебра на структуру и фотокаталитические свойства наноструктурированных плёнок оксида цинка;
- провести моделирование газочувствительных свойств сенсора на основе наноструктур оксида цинка, состоящих из наночастиц с различными диаметрами;
- исследовать адсорбционные свойства наноструктур оксида цинка с различными температурами отжига с использованием индикаторного метода;
- рассчитать себестоимость изготовления фотокатализаторов на основе оксида цинка и наночастиц серебра.
Во время выполнения выпускной квалификационной работы были разработаны методики управления структурой, фотокаталитическими и адсорбционными свойствами нанокомпозитов широкозонных металлооксидных материалов на примере наноструктур оксида цинка, синтезируемых с использованием золь-гель-технологии.
Анализ современных методик управления структурой, фотокаталитиче- скими и адсорбционными свойствами нанокомпозитов показало, что в настоящее время в качестве фотокатализаторов крайне редко используют чистые металлооксидные полупроводники в виде наноструктурированных плёнок, волокон или нанодисперсных порошков. Современная тенденция в области нанотехнологий заключается в синтезе нанокомпозитов вместе с металлами и другими металлооксидными полупроводниками. Данные структуры обладают улучшенными фотокаталитическими свойствами за счёт явления разделения носителей зарядов, улучшения адсорбции веществ и поверхностного плазмонного резонанса. Для фотокатализаторов также начинают использовать наноструктуры, образующие фотонные решётки с запрещёнными фотонными зонами, в которых запрещено прохождение фотонов с определёнными длинами волн.
В газовых сенсорах также часто используют гетеропереходы с большой разностью между уровнями дна зоны проводимости двух материалов, в которых наблюдается более резкое изменение величины проходящего тока при адсорбции молекул газа по сравнению с чистыми полупроводниками.
На основе данных о проведённых ранее исследованиях свойств нанокомпозитов на основе широкозонных металлооксидных полупроводников была разработана методика синтеза наноструктур оксида цинка с управляемым нанодизайном на основе золь-гель-технологии, позволяющей осуществлять управление физико-химическими свойствами наноструктур путём изменения параметров синтеза и внедрения примесей.
Для наноструктур оксида цинка, синтезируемых на основе золь-гель- технологии, была разработана модель роста наноструктур, в основу которой положена теория фракталов. Данная модель позволяет предсказать влияние технологических параметров синтеза на удельную площадь нанокомпозитов, от которой зависят адсорбционные и фотокаталитические свойства. В разработанной модели учтены процессы роста кластеров оксида цинка по модели Жульена, роста иерархической наноструктуры по модели Виттена-Сандера и процессы образования участков, не содержащих кластеров оксида цинка, которые происходят при больших временах отжига.
Модель роста нанокомпозитов на основе оксида цинка была экспериментально проверена путём исследования зависимости концентрации кластеров оксида цинка от времени нагрева золя с использованием ИК-спектроскопии. Анализ показал, что данная зависимость имеет экспоненциальный характер, причём при приближении времени нагрева золя к 60 минутам скорость роста концентрации оксида цинка и роста наноструктур полупроводника резко снижается, что говорит об адекватности разработанной модели роста наноструктур...
Анализ современных методик управления структурой, фотокаталитиче- скими и адсорбционными свойствами нанокомпозитов показало, что в настоящее время в качестве фотокатализаторов крайне редко используют чистые металлооксидные полупроводники в виде наноструктурированных плёнок, волокон или нанодисперсных порошков. Современная тенденция в области нанотехнологий заключается в синтезе нанокомпозитов вместе с металлами и другими металлооксидными полупроводниками. Данные структуры обладают улучшенными фотокаталитическими свойствами за счёт явления разделения носителей зарядов, улучшения адсорбции веществ и поверхностного плазмонного резонанса. Для фотокатализаторов также начинают использовать наноструктуры, образующие фотонные решётки с запрещёнными фотонными зонами, в которых запрещено прохождение фотонов с определёнными длинами волн.
В газовых сенсорах также часто используют гетеропереходы с большой разностью между уровнями дна зоны проводимости двух материалов, в которых наблюдается более резкое изменение величины проходящего тока при адсорбции молекул газа по сравнению с чистыми полупроводниками.
На основе данных о проведённых ранее исследованиях свойств нанокомпозитов на основе широкозонных металлооксидных полупроводников была разработана методика синтеза наноструктур оксида цинка с управляемым нанодизайном на основе золь-гель-технологии, позволяющей осуществлять управление физико-химическими свойствами наноструктур путём изменения параметров синтеза и внедрения примесей.
Для наноструктур оксида цинка, синтезируемых на основе золь-гель- технологии, была разработана модель роста наноструктур, в основу которой положена теория фракталов. Данная модель позволяет предсказать влияние технологических параметров синтеза на удельную площадь нанокомпозитов, от которой зависят адсорбционные и фотокаталитические свойства. В разработанной модели учтены процессы роста кластеров оксида цинка по модели Жульена, роста иерархической наноструктуры по модели Виттена-Сандера и процессы образования участков, не содержащих кластеров оксида цинка, которые происходят при больших временах отжига.
Модель роста нанокомпозитов на основе оксида цинка была экспериментально проверена путём исследования зависимости концентрации кластеров оксида цинка от времени нагрева золя с использованием ИК-спектроскопии. Анализ показал, что данная зависимость имеет экспоненциальный характер, причём при приближении времени нагрева золя к 60 минутам скорость роста концентрации оксида цинка и роста наноструктур полупроводника резко снижается, что говорит об адекватности разработанной модели роста наноструктур...
