二氧化钛光催化甲基橙分解

纳米TiO2及其光催化性质研究实验方案
意义背景：纳米TiO2粉体技术是近二十年来发展起来的一项高新技术。

它通常是指颗粒
尺寸在1 —100纳米的固体颗粒材料。

因其具有强烈的表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应等特性使其在声、光、电、磁、热等许多方面具有独特的性能。

纳米技术的悄然兴起，引起世界各国的广泛关注和重视。

纳米TiO2具有许多独特性质，如大的比表
面积和表面张力，熔点低，磁性强，光吸收性能好。

其吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分散性好等。

基于上述特点，纳米TiO2具有广阔的应用前景，如作为光催化剂
处理有机废水；利用其光电导性和光敏性开发感光材料。

实验仪器和药品清单：
⑴VIS-7220型分光光度计（一台）50mL干燥小烧杯（6个）电子天平（209旁边用）
5mg/L的甲基橙溶液（1000mL）20 W石英紫外灯（可调节光强3台）定性pH式纸
81-2型恒温磁力搅拌器800B离心机
⑵去离子水过氧化氢溶液氯化钠溶液硫酸亚铁溶液
实验具体方案
纳米二氧化钛光催化活性的检测：
（I）二氧化钛光催化原理：光催化纳米材料的作用机理是在光量子的作用下，
电子发生能带跃迁形成光生载流子，诱发氧化分解作用极强的活性氧及？OH自由基，使反应
物降解。

TiO2作为一种新型的光催化材料更是引起研究者的极大兴趣。

纳米TiO2材料以良
好的热稳定性、高效、无毒、成本低和不造成二次污染等优点，在光催化降解废水中的有机物方面应用前景广阔。

TiO2为N型半导体材料，含有能带结构，通常情况下是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，它们之前由禁带分开，带隙宽为 3.2eV，在受到
波长小于或等于387.5nm的光照射时，价带的电子就会被激发到导带，形成空穴/电子对，
此时空气中的C2和HbO与之作用便形成了很高活性的？O 2和？OH自由基。

研究证明，当pH=1 时锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV，半导体的光吸收阈值入g与禁带宽度Eg的关系为A g
（nm）=1240/Eg（eV），当用能量等于或大于禁带宽度的光（入＜388nm的近紫外光）照射
半导体光催化剂时，半导体价带上的电子吸收光能被激发到导带上，因而在导带上产生带负
电的高活性光生电子（e-）,在价带上产生带正电的光生空穴（h+），形成光生电子-空穴对。

空穴的能量为7.5 eV ,具有强氧化性；电子则具有强还原性。

当光生电子和空穴到达表面时，
可引发光催化氧化还原反应，还原和氧化吸附在光催化剂表面上物质。

TiO2^e-+h+ OH-+h+ OH H z O+h*OH+H + A+h+ A
同时，光生电子可以和溶液中溶解的氧分子反应生成超氧自由基，它与H+离子结合形
成.OOH 自由基：O?+e-+H—• O2-+H—• OOH 2HOO •^ O2+H2O2
H2O2+ • O2^OH+OH-+O 2 • O2-+2H+ T H2O2
此外• OH, • OOH和H2O2之间可以相互转化H2O2+ • OHOOH+H 2O2
利用高度活性的羟基自由基.OH无选择性地将氧化包括生物难以降解的各种有机物并使之
完全无机化。

本实验通过检测甲基橙色度去除率进而检测二氧化钛的光催化活性。

甲基橙的
吸收光谱及离心液吸光度用UV751G紫外/可见分光光度计测定。

分别测定光催化前后最大吸收波长处的吸光度值，按下式计算甲基橙色度去除率。

D= ~A]xlOO%
式中：A o为甲基橙光降解前的吸光度值，A为甲基橙光降解后的
吸光度值，通过D值可以得知一定条件下二氧化钛的光催化活性。

(H)二氧化钛光催化甲基橙分解：
①取甲基橙溶液50mL,用pH计测定其pH,并用温度计测定反应温度，用分析天平称取0.02g
自制的纳米级二氧化钛，磁力搅拌使之悬浮，在避光条件下用空气泵充气30min，之后移取5mL
该混合溶液于离心管中进行离心处理，此时开启紫外灯，每隔5min取5ml溶液于离心管中离
心，每次取少量上层清液用分光光度计进行分析，测定反应物的吸光度A
②探究二氧化钛用量对光催化反应的影响：取三个干燥的小烧杯A、B、C, 分别加入同浓度的甲基橙溶液各50mL,用分析天平称取自制的二氧化钛0.02g、0.04g和0.06g 分别于A B C中，其余处理同①，记录吸光度。

③探究溶液的酸度对光催化反应的影响：取三个干燥的小烧杯A、B C,别
加入同浓度的甲基橙溶液各50mL向A中滴加2mL3mol/L的盐酸，向B中滴加2mL蒸馏水，向
C中滴加2mL3mol/L的氢氧化钠溶液，之后向三个烧杯中各加入0.02g二氧化钛，其余处理同
①，记录吸光度。

④探究紫外光强度对光催化反应的影响：取三个干燥的小烧杯A、B C,分
别加入同浓度的甲基橙溶液各50mL各加入0.02g自制的二氧化钛，然后对A烧杯不用紫外光照射，对E烧杯用一定强度的紫外光处理，对C烧杯用更高强度的紫外光处理，其余处理同①，记录吸光度。

⑤探究外加氧化剂对光催化反应的影响：取三个干燥的小烧杯A B、C,分别加入同浓度的甲基橙溶液各50mL，各加入0.02g自制的二氧化钛，然后在A烧杯中加入1mL0.1mol/L过氧化氢溶液，在B烧杯中加入1mL0.1mol/L氯化钠溶液，在C烧杯中加入1mL0.1mol/L的硫酸亚铁溶液，其余处理同①，记录吸光度。