实验 TiO2光催化降解甲基橙性能研究-liang

实验二 TiO 2光催化降解甲基橙性能研究
一、目的要求
1、掌握确定反应级数的方法；
2、测定甲基橙光催化降解反应速率常数和半衰期；
3、了解光催化反应仪的以及可见分光光度计的使用方法。

二、基本原理
1972年Fujishima 和Honda 发现光照的TiO 2单晶电极能分解水，推动了有机物和无机物光氧化还原反应的研究。

1976年，Cary 在近紫外光的照射下用二氧化钛的悬浊液可使多氯联苯脱氯，光催化反应逐渐成为人们关注的热点之一。

光催化法能有效地将烃类、卤代有机物、表面活性剂、染料、农药、酚类、芳烃类等有机污染物降解为相对环境友好的2CO ，2H O 等无机化，污染物中的X
原子、S 原子、P 原子和N 原子等则分别转化为X -，24SO - -，34PO -，4NH +，
3NO --等无机离子。

光催化法具有能够彻底消除有机污染物，无二次污染，且可在常温常压下进行等优点，因此在消除污染物的研究领域日趋活跃。

光催化通常以半导体如2TiO ，ZnO ，CdS ，23Fe O ，3WO ，2SnO ，ZnS ，
3SrTiO ， CdSe ，CdTe ，23In O ，2FeS ，GaAs ，GaP ，SiC ，2MoS 等作催化剂，其中2TiO 具有价廉无毒、化学及物理稳定性好、耐光腐蚀、催化活性好等优点，是目前广泛研究、效果较好的光催化剂。

目前，纳米2TiO 的制备技术及在水和气相有机、无机污染物的光催化去除等研究取得很大进展，是极具前途的环境污染深度净化技术，在环境保护领域受到广泛关注。

半导体自身的光电特性决定其催化剂特性。

半导体含有能带结构，一般是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，中间隔着禁带。

当半导体价带上的电子吸收光能被激发到导带，在导带上产生带负电的高活性光生电子（e -），在价带上留下空穴产生带正电的光生空穴（h +），形成光生电子-空穴对，研究证明，当pH=1时用能量等于或大于禁带宽度的光（λ<388nm 的近紫外光）
照射锐钛矿型2TiO 半导体光催化剂时，空穴的能量为7.5eV ，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，可发生两类反应。

第一类是简单的复合，如果光生电子与空穴没有被利用，则会重新复合，使光能以热能的形式散发掉
N energy or heat e h hv -++→+（）
第二类是电子和空穴在移动到表面后，分别和表面物质反应生成高活性的氧化自由基。

主要的一些反应如下：
2TiO e h -+→+
OH OH h -++→
2H O OH+H h +++→
22O H O +H OOH e -++++→→
2222HOO O H O →+
-2222H O +O OH OH O →++
2
22
O 2H H O -+
+→
此外OH ，OOH 和22H O 之间可以相互转化
2222H O OH OOH +H O +→
有机物即使是生物也难以降解的各种有机物，在光催化体系中利用高度活性的羟基自由基OH 反应，被无选择性地氧化成无机化合物。

无机化合物？
甲基橙染料无挥发性，是一种工业上常见的偶氮类染料。

其分子式如图所示：
实验证明甲基橙是较难降解的有机污染物，具有相当高的抗直接光分解和氧
化的能力；且其浓度可采用分光光度法测定，方法简便，
因而常被用做光催化反应的模型反应物。

图1 甲基橙分子结构
光化学反应仪器 光源冷却水循环装置
图2 实验装置图
三、仪器 试剂
722型分光光度计 1台 300W 高压汞灯 1支 光催化反应器 1个 充气泵 1个 恒温水浴 1套 磁力搅拌器 1台 离心机 1台 台秤 1台 秒表 1块 10mL 移液管 1支 20mL 移液管 1支 500 mL 量筒 1支 吸耳球 1个 离心管 7支 甲基橙贮备液（1000mg/L ） 纳米TiO 2（P25）
四、实验步骤
1、配置20mg/L 甲基橙溶液。

向500ml 的容量瓶中加入10mL 的1000mg/L 的甲基橙贮备液，用水稀释至刻度，配成20 mg/L 的甲基橙溶液。

2、调整分光光度计零点
打开722型分光光度计电源开关，预热至稳定。

调节分光光度计的波长旋钮至462nm 。

打开比色槽盖，即在光路断开时，调节“0”旋钮，使透光率值为0.取一只1cm 比色皿，加入参比溶液蒸馏水，擦干外表面（光学玻璃面应用擦镜纸擦拭），放入比色槽中，确保放蒸馏水的比色皿在光路上，将比色槽盖合上，即光路通时，调节“100”旋钮使透光率值为100%。

3、甲基橙光催化降解
（1）每次取0.01g 的催化剂放入光催化反应器，并加入50 ml 的20 mg ／L 甲基橙水溶液，含催化剂的甲基橙水溶液首先在暗处预吸附30min ，使甲基橙在催化剂的表面达到吸附/脱附平衡。

（2）打开光反应仪器的光源，选取300W 高压汞灯，波长设置为254nm 。

在磁力搅拌下，每隔5 min 取约5ml 溶液，将所得样品在XX 转速下离心分离5min 去除催化剂，取上层清液测试。

共测试30min 。

（3）采用721型紫外-可见分光光度计在最大吸收波长462nm 处测试溶液的吸光度。

根据吸光度与浓度的关系计算甲基橙的降解程度η： 00()/()/100%O O C C C A A A =-=-⨯η
Co 为甲基橙的初始浓度，C 为不同时刻所取得上层清夜的浓度。

（4）同时取一份50ml 不加TiO 2催化剂的20mg/L 甲基橙水溶液，在相同条件下进行空白实验。

步骤3的操作要点简洁方框图
五、数据处理
1、将实验数据列表，格式如下：
室温： 大气压：
表1 甲基橙光催化降解实验数据
t /min
A
0)A A （
η
1A 1ln A
（）
0 5 10 15 20 25 30
2、采用积分法中的作图法，作1ln t A
（） 关系图，根据动力学相关知识，确定反应级数。

3、由所得直线的斜率求出反应的速率常数1k 。

4、计算甲基橙光催化降解的半衰期12
t 。

5、作ηt 图，分析甲基橙的降解率与时间的关系。

六、注意事项
1.先开激光冷水机，再开光反应仪器的高压汞灯，以免影响汞灯寿命。

2. 甲基橙的降解一般认为是一级反应，对于不同的降解物，动力学并不相同。

3. 离心分离时，一定要离心彻底，离心一次不够的话，重复离心一次。

保证清夜中不能有固体粉末。

4.实验温度、搅拌速度等条件会影响催化效果，催化剂和空白对照的实验要同时进行，并且保证反应条件一致。

七、思考题
1. 实验中，为什么用蒸馏水作参比溶液来调节分光光度计的透光率值为100%？一般选择参比溶液的原则是什么？
2. 甲基橙溶液需要准确配制吗？
3. 甲基橙光催化降解速率与哪些因素有关？。