光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)報(bào)告

光催化降解染料甲基橙一、目的要求掌握確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的原理和方法；測(cè)定甲基橙光催化降解反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期；了解可見光分光光度計(jì)的構(gòu)造、工作原理、掌握分光光度計(jì)的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理光催化始于1972年，F(xiàn)ujishima和Honda發(fā)現(xiàn)光照的TiO2單晶電極能分解水，引起人們對(duì)光誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的興趣，由此推動(dòng)了有機(jī)物和無機(jī)物光氧化還原反應(yīng)的研究。1976年，Cary等報(bào)道，在近紫外光照射下，曝氣懸浮液，濃度為50μg/L的多氯聯(lián)苯經(jīng)半小時(shí)的光反應(yīng)，多氯聯(lián)苯脫氯，這個(gè)特性引起了環(huán)境研究工作者的極大興趣，光催化消除污染物的亞牛日趨活躍。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，光催化法能有效地將烴類、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CO2H2O，而污染物中含有的鹵原子、硫原子、磷原子和氮原子等則分別轉(zhuǎn)化為X-，SO42-，PO43-，PO43-，NH4+，NO3-等離子。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)。光催化以半導(dǎo)體如TiO2，ZnO，CdS，F(xiàn)e2O3，WO3，SnO2，ZnS，SrTiO3，CdSe，CdTe，In2O3，F(xiàn)eS2，GaAs，GaP，SiC，MoS2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)，幫TiO2是目前廣泛研究、效果較好的光催化劑。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λg與禁帶寬度Eg的關(guān)系為λg（nm）=1240/Eg(eV)當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度的光（λ<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)。空穴的能量（TiO2）為7.5eV，具有強(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(jiǎn)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e-+h+→N+energy(hv’<hvorheat)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)。TiO2→e-+h+OH-+h+→·OHH2O+h+→·OH+H+A+h+→·A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H+離子結(jié)合形成.OOH自由基：O2+e-+H+→·O2-+H+→·OOH2HOO·→O2+H2O2H2O2+·O2→OH+OH-+O2·O2-+2H+→H2O2此外·OH，·OOH和H2O2之間可以相互轉(zhuǎn)化H2O2+·OH→·OOH+H2O2利用高度活性的羥基自由基.OH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)。四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(cè)定，方法簡(jiǎn)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：圖1甲基橙分子結(jié)構(gòu)圖1甲基橙分子結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上看，它屬于偶氮染料，這類染料是染料各類中最多的一種，約占全部染料的50%左右。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、儀器試劑722型分光光度計(jì)1臺(tái)；125W高壓汞燈1支；反應(yīng)器1個(gè)；充氣泵1個(gè)；恒溫水浴1套；磁力攪拌器1臺(tái)；離心機(jī)1臺(tái)；臺(tái)秤1臺(tái)；秒表1塊；10mL移液管1支；20mL移液管1支；500mL量筒1支；吸耳球；離心管7支。圖3η圖3η~t圖討論與分析600mL40mg/L的甲基橙溶液，0.2克納米TiO2為催化劑，在高壓汞燈光照條件下，30min中內(nèi)可以最大降解率約98.16%。該實(shí)驗(yàn)中采用積分法中的作圖法由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí)，舍去了30min的數(shù)據(jù)，是因?yàn)閿?shù)據(jù)偏差較大，可能是因?yàn)殡x心后依然有部分TiO2懸浮在溶液中，而最后一組的吸光度應(yīng)該很低，所以微量TiO2也會(huì)影響測(cè)定的準(zhǔn)確性。最后得到ln(1/A)~t的線性相關(guān)度為99.29%，線性相關(guān)度好；說明納米Ti02在前30分鐘攪拌充分，甲基橙在催化劑達(dá)到吸附/脫附平衡，且光照反應(yīng)、取樣、離心等操作到位，數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。由η~t圖可知30min中內(nèi)可以最大降解率約98.16%，且降解數(shù)度在約10分鐘前降解率和時(shí)間幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系，在之后的反應(yīng)中降解率的變化變慢，降解速率下降，漸漸趨向平緩，越接近100%速率越低。七、思考題實(shí)驗(yàn)中，為什么用蒸餾水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的透光率值為100%？一般選擇參比溶液的原則是什么？答：用蒸餾水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的透光率值為100%，以消除溶液中的水對(duì)光的吸收反射或散射造成的誤差。一般選擇參比溶液的原則：當(dāng)試樣溶液、顯色劑及所用的其它試劑在測(cè)定波長(zhǎng)處均無吸收時(shí)，可選用蒸餾水作參比液；若有顯色劑或其它試劑對(duì)入射光有吸收，應(yīng)選用試劑空白為參比；若試樣中其它組分有吸收，而顯色劑無吸收且不與其它組分作用，應(yīng)選用不加顯色劑的試樣溶液作參比液。甲基橙溶液需要準(zhǔn)確配制嗎？答：不需要；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)