合肥學院化工系專能訓練課題研究二氧化鈦光催化實驗方案

1、二氧化鈦光催化實驗方案 指導老師：張慧 課題組成員：王興男、劉克峰、石侃執(zhí)筆人：劉克峰 一、問題的提出 （1）納米TiO2由于具有高效、廉價、耐化學腐蝕以及高光催化活性、綠色環(huán) 保等特點，所以TiO2光催化技術是當今研究的熱點。 （2）大量研究報道表明：納米TiO2光催化技術對水體污染物如無機物、染料、 農(nóng)藥、表面活性劑、含油廢水、高分子聚合物等的降解有著明顯的優(yōu)勢。據(jù)不 完全統(tǒng)計，約有幾十種模擬染料廢水進行了脫色與礦化實驗，可選擇實驗室現(xiàn) 有的染料進行光催化降解實驗，對比和考察制備的納米TiO2催化劑的光催化活 性。 二、實驗假設與理論依據(jù) 1. 實驗假設 國內(nèi)外大量研究表明，光催化法能有效

2、地將烴類、鹵代有機物、表面活性劑、 染料、農(nóng)藥、酚類、芳烴類等有機污染物降解，最終無機化為CO, HQ因此, 光催化技術具有在常溫常壓下進行，徹底消除有機污染物，無二次污染等優(yōu)點。 光催化技術的研究涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學、化學反應動力學、 催化材料、光化學和環(huán)境化學等多個學科，因此多相光催化科技是集這些學科 于一體的多種學科交叉匯合而成的一門新興的科學。 通過該課題實驗研究，使本小組成員更好地了解到了光催化機理，從而結(jié)合本 專業(yè)知識應用到實際生產(chǎn)生活中。加深對專業(yè)知識的探究和應用，使學生自覺 地學習、自主地學習。 2. 理論依據(jù) 光催化以半導體如 TiO2,ZnO,CdS,WOS

3、nO2,ZnS,SrTiO 3等作催化劑，其中TiO2 具有價廉無毒、化學及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、催化活性好等優(yōu)點。 TiO2是 目前廣泛研究、效果較好的光催化劑之一。 半導體之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。半導體粒子含 有能帶結(jié)構，通常情況下是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶構 成，它們之前由禁帶分開。研究證明，當 pH=1時銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為 3.2eV，半導體的光吸收閾值 入g與禁帶寬度Eg的關系為 （nm） =1240/Eg（eV） 當用能量等于或大于禁帶寬度的光（入388nm的近紫外光）照射半導體光催化 劑時，半導體價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到

4、導帶上，因而在導帶上產(chǎn)生帶負 電的高活性光生電子（e-），在價帶上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生 電子-空穴對?？昭ň哂袕娧趸裕浑娮觿t具有強還原性。 當光生電子和空穴到達表面時，可發(fā)生兩類反應。第一類是簡單的復合，如果 光生電子與空穴沒有被利用，則會重新復合，使光能以熱能的形式散發(fā)掉。 第二類是發(fā)生一系列光催化氧化還原反應，還原和氧化吸附在光催化劑表面上 物質(zhì)。 TiO2e-+h+ OH+hi OH F20+H OH+H A+hffA 另一方面，光生電子可以和溶液中溶解的氧分子反應生成超氧自由基，它與沖 離子結(jié)合形成.00H自由基： Q+e-+H+0 2-+H+ OOH 2H00O

5、2+H?Q H2C2+ 0 2 0H+0-+02 O2-+2H1H2Q 此外 0H,00H和HzQ之間可以相互轉(zhuǎn)化 HzQ+ 0H 00H+202 tr hoo* ffiLl半導體TiO：光催化輒化反應機理示意圖 利用高度活性的羥基自由基.0H無選擇性地將氧化包括生物難以降解的各種有 機物并使之完全無機化。有機物在光催化體系中的反應屬于自由基反應。 甲基橙染料是一種常見的有機污染物，無揮發(fā)性，且具有相當高的抗直接光分 解和氧化的能力；其濃度可采用分光光度法測定，方法簡便，常被用做光催化 反應的模型反應物。四基橙的分子式如圖 1所示： (CH3)2N N=N 從結(jié)構上看，它屬于偶氮染料，這類染料

6、是染料各類中最多的一種，約占全部 染料的50流右。根據(jù)已有實驗分析，甲基橙是較難降解的有機物，因而以它 作為研究對象有一定的代表性。 三、實驗目標 1. 科研目標 通過納米Ti02光催化降解有機物課題實驗，研究對水體污染物如無機物、染料、 農(nóng)藥、表面活性劑、含油廢水、高分子聚合物等的降解功效 2. 育人目標 為化工專業(yè)提高了一個良好的學生合作、自我動手、師生交流的平臺，使課題 小組成員初步掌握了二氧化鈦光催化機理和實驗方法。 四、實驗對象、方法及手段 1. 實驗對象 N-TiO2光催化劑、甲基橙溶液 2. 實驗方法 可見光光催化二氧化鈦，降解甲基橙 3. 檢測手段（數(shù)據(jù)統(tǒng)計） 通過可見分光光度

7、計測試甲基橙溶液波長為 462nm處的吸收，并記錄實驗數(shù)據(jù)。 五、實驗原則 實驗過程堅持求真務實、實事求是的原則，堅決杜絕實驗作假，編造實驗數(shù)據(jù)。 六、實驗內(nèi)容 N-TiO2光催化劑的制備、光催化活性測試 七、實驗步驟 1. 準備階段（2012年6月12日至2012年6月13日） 具體做法： 準備實驗儀器及用品：磁力攪拌器 2臺，抽濾裝置一套，烘箱一臺，高溫爐 一臺，電子天平一臺，秒表一個，移液槍一支，722型可見光分光光度計1臺； 可見光氙燈燈源1臺（附420nm濾波片）；培養(yǎng)皿兩套；甲基橙貯備液（15 mg/L）,鈦酸丁酯一瓶，氨水一瓶，蒸餾水。 做好實施前各項準備，明確實驗目的，清楚實驗

8、誤差的所在，并盡量規(guī)避之。 2. 實施階段（2012年6月13日開始） 具體做法： （1）N-TiO2光催化劑的制備 配制質(zhì)量濃度為1%勺氨水溶液100 ml，在強力攪拌下，向以上氨水溶液中加入 鈦酸正丁酯8 ml，繼續(xù)攪拌1 h,過濾，洗滌，在100oC下干燥10 min。在 500C下處理2 h,得到N-TiO2。 （2）光催化活性測試 取甲基橙溶液10 ml （15 mg L-1）分裝在兩個表面皿中，并分別加入 0.1 g N- TiO2光催化劑，靜置10mi n,以使固液兩相達到吸附平衡，然后經(jīng)離心分離， 取上層清液測試其濃度。然后將樣品置于可見光氙燈下光照。每隔2 min,取 樣4

9、ml （此時關掉光源），用離心機離心，然后再用可見分光光度計測試甲基 橙溶液波長為462nm處的吸收，并記錄實驗數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)據(jù)記錄與處理 1、設計實驗數(shù)據(jù)表，記錄溫度。甲基橙初始的吸光度A0= 。 表1 1#:在無光催化劑作用下，甲基橙在光照下的情況 2#:在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在無光照下的情況 3#:在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在光照下的情況 反應時間/min 0 20 40 60 80 100 1# （吸光度/A） 1#Ln (Co/C) 2# (吸光度/A) 2# Ln (C/C) 3# (吸光度/A) 3# Ln (C/C) 4#(吸 光度 /A) 4#Ln (Co/C) 納米Ti02光催化降解甲基橙的反應是一級反應：即in (Co/C) = kt 作圖，并由所得直線的斜率，求出甲基橙降解 顯然， 以濃 度In (Co/ C)對 時 間t 的速率常數(shù)k(N-TiO2)=。 3.