合肥學(xué)院化工系專能訓(xùn)練課題研究二氧化鈦光催化實(shí)驗(yàn)方案

1、二氧化鈦光催化實(shí)驗(yàn)方案 指導(dǎo)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(jià)、耐化學(xué)腐蝕以及高光催化活性、綠色環(huán) 保等特點(diǎn)，所以TiO2光催化技術(shù)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。 （2）大量研究報(bào)道表明：納米TiO2光催化技術(shù)對(duì)水體污染物如無機(jī)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(shì)。據(jù)不 完全統(tǒng)計(jì)，約有幾十種模擬染料廢水進(jìn)行了脫色與礦化實(shí)驗(yàn)，可選擇實(shí)驗(yàn)室現(xiàn) 有的染料進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，對(duì)比和考察制備的納米TiO2催化劑的光催化活 性。 二、實(shí)驗(yàn)假設(shè)與理論依據(jù) 1. 實(shí)驗(yàn)假設(shè) 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(jī)物、表面活性劑、 染料、農(nóng)藥、酚類、芳烴類等有機(jī)污染物降解，最終無機(jī)化為CO, HQ因此, 光催化技術(shù)具有在常溫常壓下進(jìn)行，徹底消除有機(jī)污染物，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。 光催化技術(shù)的研究涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、 催化材料、光化學(xué)和環(huán)境化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此多相光催化科技是集這些學(xué)科 于一體的多種學(xué)科交叉匯合而成的一門新興的科學(xué)。 通過該課題實(shí)驗(yàn)研究，使本小組成員更好地了解到了光催化機(jī)理，從而結(jié)合本 專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中。加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的探究和應(yīng)用，使學(xué)生自覺 地學(xué)習(xí)、自主地學(xué)習(xí)。 2. 理論依據(jù) 光催化以半導(dǎo)體如 TiO2,ZnO,CdS,WOS

3、nO2,ZnS,SrTiO 3等作催化劑，其中TiO2 具有價(jià)廉無毒、化學(xué)及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、催化活性好等優(yōu)點(diǎn)。 TiO2是 目前廣泛研究、效果較好的光催化劑之一。 半導(dǎo)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(dǎo)體粒子含 有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu) 成，它們之前由禁帶分開。研究證明，當(dāng) pH=1時(shí)銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為 3.2eV，半導(dǎo)體的光吸收閾值 入g與禁帶寬度Eg的關(guān)系為 （nm） =1240/Eg（eV） 當(dāng)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(dǎo)體光催化 劑時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子吸收光能被激發(fā)到

4、導(dǎo)帶上，因而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生帶負(fù) 電的高活性光生電子（e-），在價(jià)帶上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生 電子-空穴對(duì)?？昭ň哂袕?qiáng)氧化性；電子則具有強(qiáng)還原性。 當(dāng)光生電子和空穴到達(dá)表面時(shí)，可發(fā)生兩類反應(yīng)。第一類是簡單的復(fù)合，如果 光生電子與空穴沒有被利用，則會(huì)重新復(fù)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(yīng)，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(yīng)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(dǎo)體TiO：光催化輒化反應(yīng)機(jī)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(jī)物并使之完全無機(jī)化。有機(jī)物在光催化體系中的反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)。 甲基橙染料是一種常見的有機(jī)污染物，無揮發(fā)性，且具有相當(dāng)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(yīng)的模型反應(yīng)物。四基橙的分子式如圖 1所示： (CH3)2N N=N 從結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)分析，甲基橙是較難降解的有機(jī)物，因而以它 作為研究對(duì)象有一定的代表性。 三、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 1. 科研目標(biāo) 通過納米Ti02光催化降解有機(jī)物課題實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)水體污染物如無機(jī)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(biāo) 為化工專業(yè)提高了一個(gè)良好的學(xué)生合作、自我動(dòng)手、師生交流的平臺(tái)，使課題 小組成員初步掌握了二氧化鈦光催化機(jī)理和實(shí)驗(yàn)方法。 四、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、方法及手段 1. 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 N-TiO2光催化劑、甲基橙溶液 2. 實(shí)驗(yàn)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(jì)） 通過可見分光光度

7、計(jì)測試甲基橙溶液波長為 462nm處的吸收，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 五、實(shí)驗(yàn)原則 實(shí)驗(yàn)過程堅(jiān)持求真務(wù)實(shí)、實(shí)事求是的原則，堅(jiān)決杜絕實(shí)驗(yàn)作假，編造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 N-TiO2光催化劑的制備、光催化活性測試 七、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 準(zhǔn)備階段（2012年6月12日至2012年6月13日） 具體做法： 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器及用品：磁力攪拌器 2臺(tái)，抽濾裝置一套，烘箱一臺(tái)，高溫爐 一臺(tái)，電子天平一臺(tái)，秒表一個(gè)，移液槍一支，722型可見光分光光度計(jì)1臺(tái)； 可見光氙燈燈源1臺(tái)（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(shí)施前各項(xiàng)準(zhǔn)備，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，清楚?shí)驗(yàn)

8、誤差的所在，并盡量規(guī)避之。 2. 實(shí)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(qiáng)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(gè)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(dá)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(shí)關(guān)掉光源），用離心機(jī)離心，然后再用可見分光光度計(jì)測試甲基 橙溶液波長為462nm處的吸收，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)據(jù)記錄與處理 1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(yīng)時(shí)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(yīng)是一級(jí)反應(yīng)：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(duì) 時(shí) 間t 的速率常數(shù)k(N-TiO2)=。 3.