紫外可見(jiàn)光光度計(jì)在TiO2的光電催化性能研究上的應(yīng)用

1、上海大學(xué)20122013學(xué)年秋季學(xué)期研究生課程考試課程名稱：儀器分析課程編號(hào)：11S009002論文題目:UV-VIS在光電催化性能研究上的應(yīng)用研究生姓名：林棟學(xué)號(hào)：12721858論文評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：任課教師：張劍秋評(píng)閱日期：UV-VIS在研究光電催化性能上的應(yīng)用林棟12721858海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)摘要：紫外可見(jiàn)分光光度法從問(wèn)世以來(lái)，在應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，尤其是在相關(guān)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，促使分光光度計(jì)儀器的不斷創(chuàng)新，功能更加齊全，使得光度法的應(yīng)用更拓寬了范圍。目前，分光光度法已為工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域所廣泛采用，成為人們從事生產(chǎn)和科研的有力測(cè)試手段。在光電催化

2、性能研究實(shí)驗(yàn)中，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)法能夠測(cè)量光電催化劑對(duì)有機(jī)物的降解程度，是研究光電催化試驗(yàn)中必不可少的儀器。本文首先介紹紫外可見(jiàn)分光光度法，然后介紹其在TiO2和ZnO寸有機(jī)物的光電降解實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)TiO2ZnO光電催化性能Abstract:Ultravioletandvisiblespectrophotometryfromitsinception,theapplicationhasmadegreatprogress,especiallyintherelateddisciplinedevelopmentfoundation,promptingspectrophoto

3、meterapparatusofcontinuousinnovation,functionmorecomplete,thespectrophotometricapplicationbroadensthescopeof.Atpresent,spectrophotometricmethodforindustrialandagriculturalsectorsandscientificresearchinvariousfieldshasbeenwidelyused,becomepeopleengagedintheproductionandscientificresearchoftheeffectiv

4、emeansoftesting.Inaphotoelectriccatalyticperformanceofexperiments,UV-Visspectrophotometermethodcapableofmeasuringacatalystfororganicpollutantsdegradationdegree,isthestudyofphotoelectriccatalytictestessentialinstrument.ThisarticlefirstintroducestheUV-visspectrophotometry,andthenintroducedintheTiO2and

5、ZnOonorganicmatterdegradationexperimentsonApplicationofphotoelectric.Keyword:Uv-visspectrophotometerTiO2ZnOphotoelectriccatalyticperformance1.背景介紹首先介紹下紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的發(fā)展史.1852年，比爾（Beer）參考了布給爾（Bouguer）1729年和朗伯（Lambert）在1760年所發(fā)表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液層厚度相等時(shí)，顏色的強(qiáng)度與呈色溶液的濃度成比例，從而奠定了分光光度法的理論基礎(chǔ)，這就是著名的比爾朗伯定律。1854年，杜包

6、斯克（Duboscq）和奈斯勒（Nessler）等人將此理論應(yīng)用于定量分析化學(xué)領(lǐng)域，并且設(shè)計(jì)了第一臺(tái)比色計(jì)。到1918年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制成了第一臺(tái)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。此后，無(wú)論在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域，還是在化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測(cè)、冶金等現(xiàn)代生產(chǎn)與管理部門(mén)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)督有廣泛而重要的應(yīng)用。由此可見(jiàn)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)有著較長(zhǎng)的歷史，現(xiàn)今其主要理論框架早已建立，制作技術(shù)相對(duì)成熟，至今仍是應(yīng)用最廣泛的分析方法之一。但構(gòu)成紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光、機(jī)、電、算等任何一方面的新技術(shù)都可能再推動(dòng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)整體性能的進(jìn)步。在追求準(zhǔn)確、快速、可靠的同時(shí)，小型化、

7、智能化、在線化、網(wǎng)絡(luò)化成為了現(xiàn)代紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)13。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)作為一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，用戶的需求是其發(fā)展的根本動(dòng)力，面向客戶、以人為本是設(shè)計(jì)和制造紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)應(yīng)該遵循的法則。2 .紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)2.1 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的基本原理每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長(zhǎng)處的吸光度的高低判別或測(cè)定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)4-5。分光光度分析就是根據(jù)物質(zhì)的吸收光譜研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)問(wèn)相互作用的有效手段。紫外可見(jiàn)分光光度法的定量分析基礎(chǔ)是朗伯一比爾定律。即物質(zhì)在一定濃度的吸光度與它的吸收介質(zhì)的厚度呈正比，其數(shù)學(xué)表示

8、式3如下Aabc(1)式中：A一吸光度；a摩爾吸光系數(shù)；b、吸收介質(zhì)的厚度；c一吸光物質(zhì)的濃度。2.2 .紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的儀器組成一般地，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測(cè)系統(tǒng)組成(圖1)。光源發(fā)的復(fù)合光通過(guò)單色器被分解成單色光，當(dāng)單色光通過(guò)樣品室時(shí)，一部分被樣品吸收，其余未被吸收的光到達(dá)檢測(cè)器，被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電子電路的放大和數(shù)據(jù)處理后。通過(guò)顯示系統(tǒng)給出測(cè)量結(jié)果。棺測(cè)器放大器顯示器圖1紫外可見(jiàn)光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)Fig1UV-VISspectrophotometerstructure2.3 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的特點(diǎn)分光光度法對(duì)于分析人員來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是最常用和有效的工具

9、之一。幾乎每一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室都離不開(kāi)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。分光光度法具有以下主要特點(diǎn)。2.3.1 較高的靈敏度首先是新的顯色劑的大量合成和技術(shù)進(jìn)步，使得對(duì)元素測(cè)定的靈敏度有所推進(jìn)，特別是有關(guān)多元絡(luò)合物和各種表面活性劑的應(yīng)用研究，使許多元素的摩爾吸光系數(shù)由原來(lái)的幾萬(wàn)提高到數(shù)十萬(wàn)5。如鉆、鈾、饃、2.3.2 較好的選擇性目前已有些元素只要利用控制適當(dāng)?shù)娘@色條件就可直接進(jìn)行光度法測(cè)定,銅、銀、鐵等元素的測(cè)定，已有比較滿意的方法了。2.3.3 高的準(zhǔn)確度對(duì)于一般的分光光度法，其濃度測(cè)量的相對(duì)誤差在l3%范圍內(nèi)，如采用示差分光光度法進(jìn)行測(cè)量，則誤差可減少到01。2.3.4 分析成本低、操作簡(jiǎn)便、快速、應(yīng)用廣

10、泛由于各種各樣的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物在紫外可見(jiàn)區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測(cè)定。到目前為止，幾乎化學(xué)元素周期表上的所有元素滁少數(shù)放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法。在國(guó)際上發(fā)表的有關(guān)分析的論文總數(shù)中，光度法約占28，我國(guó)約占所發(fā)表33%6-7.2.4 .紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的一般應(yīng)用2.4.1 檢定物質(zhì)據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長(zhǎng)和摩爾吸收系數(shù)是檢定物質(zhì)的常用物理參數(shù)。這在藥物分析上就有著很廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外的藥典中，已將眾多的藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長(zhǎng)和吸收系數(shù)載入其中，為藥物分析提供了很好的手段。2.4.2 與標(biāo)準(zhǔn)物及標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品以相同濃度配制在同一溶

11、劑中，在同一條件下分別測(cè)定紫外可見(jiàn)吸收光譜。若兩者是同一物質(zhì)，則兩者的光譜圖應(yīng)完全一致。如果沒(méi)有標(biāo)樣，也可以和現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照進(jìn)行比較7。這種方法要求儀器準(zhǔn)確，精密度高，且測(cè)定條件要相同5-8。4.3比較最大吸收波長(zhǎng)吸收系數(shù)的一致性由于紫外吸收光譜只含有23個(gè)較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內(nèi)的發(fā)色團(tuán)在紫外區(qū)產(chǎn)生的吸收，與分子和其它部分關(guān)系不大。具有相同發(fā)色團(tuán)的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中不影響發(fā)色團(tuán)的紫外吸收光譜，不同的分子結(jié)構(gòu)有可能有相同的紫外吸收光譜，但它們的吸收系數(shù)是有差別的。2.4.4 純度檢驗(yàn)紫外吸收光譜能測(cè)定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質(zhì)。如果化合物的紫外可見(jiàn)光區(qū)沒(méi)有明顯

12、的吸收峰，而它的雜質(zhì)在紫外區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，就可以檢測(cè)出化合物中的雜質(zhì)。2.4.5 推測(cè)化合物的分子結(jié)構(gòu)不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強(qiáng)度也不同。這可以利用紫外光譜來(lái)判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強(qiáng)度，以確定選擇哪一種溶劑。2.4.6 氫鍵強(qiáng)度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)證明，不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強(qiáng)度也不同，這可以利用紫外光譜來(lái)判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強(qiáng)度，以確定選擇哪一種溶劑。2.4.7 絡(luò)合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測(cè)定金屬離子常與有機(jī)物形成絡(luò)合物，多數(shù)絡(luò)合物在紫外可見(jiàn)區(qū)是有吸收的，我們可以利用分光光度法來(lái)研究其組成9-12。3 .紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在研究光電催化性能上的應(yīng)用3.4 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在研究TiO2光

13、電催化性能上的應(yīng)用隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。其中，水污染問(wèn)題給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了較大的影響，染料廢水污染尤為嚴(yán)重。染料廢水具有色度深、濃度高、毒性大、可生化性差等特點(diǎn)，因此如何有效的降解染料廢水成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。光催化技術(shù)利用太陽(yáng)光作為光源來(lái)催化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)，達(dá)到凈化目的。與傳統(tǒng)水處理技術(shù)相比，此方法具有明顯的節(jié)能、高效、污染物降解徹底等優(yōu)點(diǎn)，因此在降解染料廢水方面成為了研究熱點(diǎn)。為了提升催化劑的回收率，大量研究將催化劑附著在導(dǎo)電襯底上。研究證明，將催化劑附著在導(dǎo)電襯底上，在外加偏壓的作用下，光生電子和空穴在外加電場(chǎng)的作用下能夠有效的分離，光催化降解效率得

14、到了明顯提升14。3.1 .1TiO2光電催化實(shí)驗(yàn)分別將薄片和納米管TiO2做工作電極，甘汞電極作參比電極，鉗電極做對(duì)電極，在外加電壓和光照下，研究不同TiO2形態(tài)對(duì)五氯酚的降解情況。3.2 .2紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的應(yīng)用用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)樣品濃度進(jìn)行檢測(cè)，分別記錄好數(shù)據(jù)。如下圖Fig.2differentmorphologiesoftitaniumdioxideonsampledegradationeffectofultravioletvisiblespectrum3.3.3數(shù)據(jù)處理取466nm處的吸光度A,未降解過(guò)的樣品吸光度A),降解率可由以下公式13得出:%EeffphotojoEr

15、evEapp100%/I。再用Origin做出樣品的降解率隨時(shí)間的變化圖。4 2 086420步黃。usbEmco0-SCSQln-EgNolt)圖3不同形貌二氧化鈦對(duì)樣品降解率隨外加電壓變化圖Fig3differentmorphologiesoftitaniumdioxideonthesampledegradationrateincreasesastheappliedvoltagechangechart3.5 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在研究ZnO光電催化性能上的應(yīng)用15-16ZnO具有價(jià)格低廉、無(wú)毒、穩(wěn)定、光催化性能高等特點(diǎn)，在降解染料方面得到了廣泛的應(yīng)用。雖然大量研究致力于提高ZnO的光催化性能

16、的研究，但是將硅基ZnO納米線陣列應(yīng)用于光電催化研究，以下實(shí)驗(yàn)中選用羅丹明6G作為降解對(duì)象。羅丹明6G,又名玫瑰紅6G,屬于酚類化合物，對(duì)于人體及其他生物的毒性較大，在農(nóng)業(yè)、染料、香料、橡膠、醫(yī)藥、感光材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，研究ZnO在光電的存在下的情況下，對(duì)羅丹明6G降解程度。測(cè)試結(jié)果如下以不同層數(shù)的ZnO納米線陣列為催化劑，光電催化降解羅丹明6G時(shí)，羅丹明6G的相對(duì)濃度隨時(shí)間變化曲線。曲線a表明在不加樣品情況下，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)染料的影響。由圖可知，在不加樣品時(shí)，紫外光及燈管散熱等實(shí)驗(yàn)外部條件對(duì)染料的降解影響非常小，幾乎不發(fā)生降解。曲線b為單層ZnO納米線陣列作為催化

17、劑，羅丹明6G的相對(duì)濃度隨時(shí)間變化曲線，由圖可知，60min時(shí)降解率達(dá)到57.8%。曲線c為雙層ZnO納米線陣列作為催化劑，羅丹明6G的相對(duì)濃度隨時(shí)間變化曲線，60min時(shí)降解率達(dá)到81.8%。曲線d為三層ZnO納米線陣列作為催化劑，羅丹明6G的相對(duì)濃度隨時(shí)間變化曲線，40min時(shí)降解率即達(dá)到97%通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程InC/C0kt計(jì)算得到表觀降解速率常數(shù)k,其中單層ZnO納米線陣列的降解速率常數(shù)k為0.013min-1,雙層ZnO納米線B$列為0.023min-1,三層ZnO納米線陣列為0.080min-1。三層ZnO納米線陣列的表觀降解速率常數(shù)為單層納米線陣列的6.15倍，為雙層納米線陣列

18、的3.48倍。ZnO納米線陣列對(duì)羅丹明6G的降解速率隨著ZnO納米線陣列層數(shù)的增加而增加，主要是由于ZnO納米線陣列層數(shù)增加使得ZnO納米線陣列的表面積增加，從而使更多的染料吸附在納米線陣列上，進(jìn)而提高了降解速率。圖4為羅丹明6G降解前后的對(duì)比圖，降解后的溶液基本上沒(méi)有顏色，羅丹明6G基本上降解完全。Time(min)圖4以不同層數(shù)的ZnO納米線陣列為催化劑，羅丹明6G的相對(duì)濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.4indifferentlayersoftheZnOnanowirearraysascatalyst,LuoDanming6Grelativeconcentrationversustimecurv

19、e4.總結(jié)與展望紫外可見(jiàn)分光光度法具有儀器價(jià)格低廉適用性廣泛，尤其是采用微機(jī)控制以來(lái)，該技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光、機(jī)、電、算等任何一方面的新技術(shù)都可能再推動(dòng)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)整體性能的進(jìn)步。在追求準(zhǔn)確、快速、可靠的同時(shí)，小型化、智能化、在線化、網(wǎng)絡(luò)化成為了現(xiàn)代紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)11-12。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)作為一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，用戶的需求是其發(fā)展的根本動(dòng)力。參考文獻(xiàn)1 王大珩,胡柏順.加速發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代儀器事業(yè),現(xiàn)代科學(xué)儀器,2000,(3):362 金欽漢.分析儀器發(fā)展趨勢(shì)展望,中國(guó)工程科學(xué),2001,3(1):85883 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范(JJG375

20、-96單光束紫外一可見(jiàn)分光光度計(jì)檢定規(guī)程)4胡文杰.紫外一可見(jiàn)分光光度計(jì)的應(yīng)用與維修【J】，分析測(cè)試技術(shù)與儀器，2005,1(11):7578.5林秀云.75lG型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)常見(jiàn)光源故障的調(diào)修【J】，計(jì)量與測(cè)t技術(shù).2007,2(30):28306韓明艷.751分光光度計(jì)常見(jiàn)故障分析及維護(hù)J,黑龍江冶金.2006,2:4243.7 楊禹哲，丁勤紫外一可見(jiàn)分光光度計(jì)透射比準(zhǔn)確度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的探討【J】，現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理2007，3：418 王國(guó)田756型分光光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)故障分析與排除叨，分析儀器2007。3：64669 汪正范等紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的市場(chǎng)分析及前景展望叨，2006，1：69-7010李昌厚.儀器學(xué)理論與實(shí)踐【MU北京：科學(xué)出版社，2008.11 王大珩，胡柏順加速發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代儀器事業(yè)們，現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000，(3)：3