光催化降解甲基橙

N-TiO2的制备及可见光降解有机污染物的测定
一、目的要求
1、N掺杂TiO2光催化剂的简易液溶液制备；
2、测定甲基橙在可见光作用下的光催化降解反应速率常数；
3、了解可见光分光光度计的构造、工作原理、掌握分光光度计的使用方法。

二、实验原理
国内外大量研究表明，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，最终无机化为CO2, H2O。

因此，光催化技术具有在常温常压下进行，彻底消除有机污染物，无二次污染等优点。

光催化技术的研究涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、化学反应动力学、催化材料、光化学和环境化学等多个学科，因此多相光催化科技是集这些学科于一体的多种学科交
叉汇合而成的一门新兴的科学。

光催化以半导体如TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3等作催化剂，其中TiO2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。

TiO2是目前广泛研究、效果较好的光催化剂之一。

半导体之所以能作为催化剂，是由其自身的光电特性所决定的。

半导体粒子含有能带结构，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。

研究证明，当pH=1时锐钛矿型TiO2的禁带宽度为，半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg的关系为
（nm）=1240/E g(eV)
当用能量等于或大于禁带宽度的光（λ<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。

第二类是发生一系列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
H2O+h+→·OH+H+
A+h+→·A
另一方面，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：
O2+e-+H+→·O2-+H+→·OOH
2HOO·→O2+H2O2
H2O2+·O2→OH+OH-+O2
·O2-+2H+→H2O2
此外·OH,·OOH和H2O2之间可以相互转化
H2O2+·OH→·OOH+H2O2
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。

有机物在光催化体系中的反应属于自由基反应。

甲基橙染料是一种常见的有机污染物，无挥发性，且具有相当高的抗直接光分解和氧化
的能力；其浓度可采用分光光度法测定，方法简便，常被用做光催化反应的模型反应物。

四
基橙的分子式如图1所示：
从结构上看，它属于偶氮染料，这类染料是染料各类中最多的一种，约占全部染料的
50%左右。

根据已有实验分析，甲基橙是较难降解的有机物，因而以它作为研究对象有一定
的代表性。

三、仪器试剂
磁力搅拌器2台，抽滤装置一套，烘箱一台，高温炉一台，电子天平一台，秒表一个，移液
枪一支，722型可见光分光光度计1台；可见光氙灯灯源1台(附420nm滤波片)；培养皿两套；
甲基橙贮备液（15 mg/L），钛酸丁酯一瓶，氨水一瓶，蒸留水，
四、实验步骤
(1) N-TiO2光催化剂的制备
配制质量浓度为1%的氨水溶液100 ml，在强力搅拌下，向以上氨水溶液中加入钛酸正丁酯8 ml，继续搅拌 1 h，过滤，洗涤，在100o C下干燥10 min。

在500o C下处理2 h，得到N-TiO2。

(2) 光催化活性测试
取甲基橙溶液10 ml（15 mg L-1）分装在两个表面皿中，并分别加入 g N-TiO2光催化剂，静置10min，以使固液两相达到吸附平衡，然后经离心分离，取上层
清液测试其浓度。

然后将样品置于可见光氙灯下光照。

每隔 2 min，取样 4 ml （此时关掉光源），用离心机离心，然后再用可见分光光度计测试甲基橙溶液波
长为462nm处的吸收，并记录实验数据。

五、数据记录与处理
1、设计实验数据表，记录温度。

甲基橙初始的吸光度A0=。

表——1
1#：在无光催化剂作用下，甲基橙在光照下的情况
2#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在无光照下的情况
3#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在光照下的情况
反应时间/min020*********
1# (吸光度/A)
1# Ln (C0/C)
2# (吸光度/A)
2# Ln (C0/C)
3# (吸光度/A)
3# Ln (C0/C)
4#(吸光度/A)
4#Ln（Co/C）
纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应：即ln (C0/C) = k t
显然，以浓度ln (C0/C)对时间t作图：
图1 (1#)
反应时间/min020*********
1# (吸光度/A) 1.620 1.608 1.608 1.606 1.608 1.611 1# Ln (C0/C)-0.00743
2# (吸光度/A) 1.588 1.664 1.617 1.604 1.601 1.595 2# Ln (C0/C)
3# (吸光度/A) 1.734 1.667 1.696 1.644 1.608 1.584 3# Ln (C0/C)
4#(吸光度/A) 1.659 1.548 1.484 1.435 1.384 1.358 4#Ln（Co/C）
由所得直线的斜率, 求出甲基橙降解的速率常数k(TiO2) =
由所得直线的斜率, 求出甲基橙降解的速率常数k(N-TiO2) =
据图3可知，在0—min中时ln (C0/C)~t关系成一直线，因此符合假设，即N-Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应。

N-TiO2光催化剂在可见光作用下能有效地降解有机染
料。

6、结果与讨论
1)、用可见分光光度计测试甲基橙浓度的原理
2)、如何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)、甲基橙光催化降解速率与哪些因素有关
影响甲基橙光催化降解速率因素有：纳米Ti02颗粒大小、光照强度、搅拌程度、催化剂的
用量、温度、溶液初始pH、溶液初始浓度等。

4)、为什么要做两个空白对比实验，其目的是什么
5)、如何确定甲基橙的光催化降解反应级数
6)、通过本次开放实验，谈谈个人心得。