紫外可見光光度計在TiO2的光電催化性能研究上的應用

1、上海大學20122013學年秋季學期研究生課程考試課程名稱：儀器分析課程編號：11S009002論文題目:UV-VIS在光電催化性能研究上的應用研究生姓名：林棟學號：12721858論文評語：成績：任課教師：張劍秋評閱日期：UV-VIS在研究光電催化性能上的應用林棟12721858海大學環(huán)境與化學工程化學工程與技術專業(yè)摘要：紫外可見分光光度法從問世以來，在應用方面有了很大的發(fā)展，尤其是在相關學科發(fā)展的基礎上，促使分光光度計儀器的不斷創(chuàng)新，功能更加齊全，使得光度法的應用更拓寬了范圍。目前，分光光度法已為工農業(yè)各個部門和科學研究的各個領域所廣泛采用，成為人們從事生產(chǎn)和科研的有力測試手段。在光電催化

2、性能研究實驗中，紫外可見分光光度計法能夠測量光電催化劑對有機物的降解程度，是研究光電催化試驗中必不可少的儀器。本文首先介紹紫外可見分光光度法，然后介紹其在TiO2和ZnO寸有機物的光電降解實驗的應用。關鍵詞：紫外可見分光光度計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分光光度計的發(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，顏色的強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，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）等人將此理論應用于定量分析化學領域，并且設計了第一臺比色計。到1918年，美國國家標準局制成了第一臺紫外可見分光光度計。此后，無論在物理學、化學、生物學、醫(yī)學、材料學、環(huán)境科學等科學研究領域，還是在化工、醫(yī)藥、環(huán)境檢測、冶金等現(xiàn)代生產(chǎn)與管理部門，紫外可見分光光度計督有廣泛而重要的應用。由此可見紫外可見分光光度計有著較長的歷史，現(xiàn)今其主要理論框架早已建立，制作技術相對成熟，至今仍是應用最廣泛的分析方法之一。但構成紫外可見分光光度計的光、機、電、算等任何一方面的新技術都可能再推動紫外可見分光光度計整體性能的進步。在追求準確、快速、可靠的同時，小型化、

7、智能化、在線化、網(wǎng)絡化成為了現(xiàn)代紫外可見分光光度計新的增長點13。紫外可見分光光度計作為一項產(chǎn)業(yè)，用戶的需求是其發(fā)展的根本動力，面向客戶、以人為本是設計和制造紫外可見分光光度計應該遵循的法則。2 .紫外可見分光光度計2.1 紫外可見分光光度計的基本原理每種物質就有其特有的、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處的吸光度的高低判別或測定該物質的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎4-5。分光光度分析就是根據(jù)物質的吸收光譜研究物質的成分、結構和物質問相互作用的有效手段。紫外可見分光光度法的定量分析基礎是朗伯一比爾定律。即物質在一定濃度的吸光度與它的吸收介質的厚度呈正比，其數(shù)學表示

8、式3如下Aabc(1)式中：A一吸光度；a摩爾吸光系數(shù)；b、吸收介質的厚度；c一吸光物質的濃度。2.2 .紫外可見分光光度計的儀器組成一般地，紫外可見分光光度計主要由光源系統(tǒng)、單色器系統(tǒng)、樣品室、檢測系統(tǒng)組成(圖1)。光源發(fā)的復合光通過單色器被分解成單色光，當單色光通過樣品室時，一部分被樣品吸收，其余未被吸收的光到達檢測器，被轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電子電路的放大和數(shù)據(jù)處理后。通過顯示系統(tǒng)給出測量結果。棺測器放大器顯示器圖1紫外可見光光度計的結構Fig1UV-VISspectrophotometerstructure2.3 紫外可見分光光度計的特點分光光度法對于分析人員來說，可以說是最常用和有效的工具

9、之一。幾乎每一個分析實驗室都離不開紫外可見分光光度計。分光光度法具有以下主要特點。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進步，使得對元素測定的靈敏度有所推進，特別是有關多元絡合物和各種表面活性劑的應用研究，使許多元素的摩爾吸光系數(shù)由原來的幾萬提高到數(shù)十萬5。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?shù)娘@色條件就可直接進行光度法測定,銅、銀、鐵等元素的測定，已有比較滿意的方法了。2.3.3 高的準確度對于一般的分光光度法，其濃度測量的相對誤差在l3%范圍內，如采用示差分光光度法進行測量，則誤差可減少到01。2.3.4 分析成本低、操作簡便、快速、應用廣

10、泛由于各種各樣的無機物和有機物在紫外可見區(qū)都有吸收，因此均可借此法加以測定。到目前為止，幾乎化學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。在國際上發(fā)表的有關分析的論文總數(shù)中，光度法約占28，我國約占所發(fā)表33%6-7.2.4 .紫外可見分光光度計的一般應用2.4.1 檢定物質據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長和摩爾吸收系數(shù)是檢定物質的常用物理參數(shù)。這在藥物分析上就有著很廣泛的應用。在國內外的藥典中，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 與標準物及標準圖譜對照樣品和標準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定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質，則兩者的光譜圖應完全一致。如果沒有標樣，也可以和現(xiàn)成的標準譜圖對照進行比較7。這種方法要求儀器準確，精密度高，且測定條件要相同5-8。4.3比較最大吸收波長吸收系數(shù)的一致性由于紫外吸收光譜只含有23個較寬的吸收帶，而紫外光譜主要是分子內的發(fā)色團在紫外區(qū)產(chǎn)生的吸收，與分子和其它部分關系不大。具有相同發(fā)色團的不同分子結構，在較大分子中不影響發(fā)色團的紫外吸收光譜，不同的分子結構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 純度檢驗紫外吸收光譜能測定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質。如果化合物的紫外可見光區(qū)沒有明顯

12、的吸收峰，而它的雜質在紫外區(qū)內有較強的吸收峰，就可以檢測出化合物中的雜質。2.4.5 推測化合物的分子結構不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強度也不同。這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度，以確定選擇哪一種溶劑。2.4.6 氫鍵強度的測定實驗證明，不同的極性溶劑產(chǎn)生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度，以確定選擇哪一種溶劑。2.4.7 絡合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測定金屬離子常與有機物形成絡合物，多數(shù)絡合物在紫外可見區(qū)是有吸收的，我們可以利用分光光度法來研究其組成9-12。3 .紫外可見分光光度計在研究光電催化性能上的應用3.4 紫外可見分光光度計在研究TiO2光

13、電催化性能上的應用隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴重。其中，水污染問題給人類的生產(chǎn)生活帶來了較大的影響，染料廢水污染尤為嚴重。染料廢水具有色度深、濃度高、毒性大、可生化性差等特點，因此如何有效的降解染料廢水成為一個亟待解決的問題。光催化技術利用太陽光作為光源來催化光催化劑，驅動氧化還原反應，達到凈化目的。與傳統(tǒng)水處理技術相比，此方法具有明顯的節(jié)能、高效、污染物降解徹底等優(yōu)點，因此在降解染料廢水方面成為了研究熱點。為了提升催化劑的回收率，大量研究將催化劑附著在導電襯底上。研究證明，將催化劑附著在導電襯底上，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光電催化實驗分別將薄片和納米管TiO2做工作電極，甘汞電極作參比電極，鉗電極做對電極，在外加電壓和光照下，研究不同TiO2形態(tài)對五氯酚的降解情況。3.2 .2紫外可見分光光度計的應用用紫外可見分光光度計對樣品濃度進行檢測，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間的變化圖。4 2 086420步黃。usbEmco0-SCSQln-EgNolt)圖3不同形貌二氧化鈦對樣品降解率隨外加電壓變化圖Fig3differentmorphologiesoftitaniumdioxideonthesampledegradationrateincreasesastheappliedvoltagechangechart3.5 紫外可見分光光度計在研究ZnO光電催化性能上的應用15-16ZnO具有價格低廉、無毒、穩(wěn)定、光催化性能高等特點，在降解染料方面得到了廣泛的應用。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納米線陣列應用于光電催化研究，以下實驗中選用羅丹明6G作為降解對象。羅丹明6G,又名玫瑰紅6G,屬于酚類化合物，對于人體及其他生物的毒性較大，在農業(yè)、染料、香料、橡膠、醫(yī)藥、感光材料等領域具有廣泛的應用。利用紫外可見分光光度計，研究ZnO在光電的存在下的情況下，對羅丹明6G降解程度。測試結果如下以不同層數(shù)的ZnO納米線陣列為催化劑，光電催化降解羅丹明6G時，羅丹明6G的相對濃度隨時間變化曲線。曲線a表明在不加樣品情況下，實驗條件對染料的影響。由圖可知，在不加樣品時，紫外光及燈管散熱等實驗外部條件對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的相對濃度隨時間變化曲線，由圖可知，60min時降解率達到57.8%。曲線c為雙層ZnO納米線陣列作為催化劑，羅丹明6G的相對濃度隨時間變化曲線，60min時降解率達到81.8%。曲線d為三層ZnO納米線陣列作為催化劑，羅丹明6G的相對濃度隨時間變化曲線，40min時降解率即達到97%通過一級動力學方程InC/C0kt計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，進而提高了降解速率。圖4為羅丹明6G降解前后的對比圖，降解后的溶液基本上沒有顏色，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的相對濃度隨時間變化曲線Fig.4indifferentlayersoftheZnOnanowirearraysascatalyst,LuoDanming6Grelativeconcentrationversustimecurv

19、e4.總結與展望紫外可見分光光度法具有儀器價格低廉適用性廣泛，尤其是采用微機控制以來，該技術得到了突飛猛進的發(fā)展。紫外可見分光光度計的光、機、電、算等任何一方面的新技術都可能再推動紫外可見分光光度計整體性能的進步。在追求準確、快速、可靠的同時，小型化、智能化、在線化、網(wǎng)絡化成為了現(xiàn)代紫外可見分光光度計新的增長點11-12。紫外可見分光光度計作為一項產(chǎn)業(yè)，用戶的需求是其發(fā)展的根本動力。參考文獻1 王大珩,胡柏順.加速發(fā)展我國現(xiàn)代儀器事業(yè),現(xiàn)代科學儀器,2000,(3):362 金欽漢.分析儀器發(fā)展趨勢展望,中國工程科學,2001,3(1):85883 中華人民共和國國家計量技術規(guī)范(JJG375

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