光催化降解甲基橙

1、N-TiO2的制備及可見光降解有機污染物的測定一、目的要求1、 N摻雜TiO2光催化劑的簡易液溶液制備；2、 測定甲基橙在可見光作用下的光催化降解反應速率常數(shù)；3、 了解可見光分光光度計的構(gòu)造、工作原理、掌握分光光度計的使用方法。二、實驗原理國內(nèi)外大量研究表明，光催化法能有效地將烴類、鹵代有機物、表面活性劑、染料、農(nóng)藥、酚類、芳烴類等有機污染物降解，最終無機化為CO2, H2O。因此，光催化技術(shù)具有在常溫常壓下進行，徹底消除有機污染物，無二次污染等優(yōu)點。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、化學反應動力學、催化材料、光化學和環(huán)境化學等多個學科，因此多相光催化科技是集這些學科于一

2、體的多種學科交叉匯合而成的一門新興的科學。光催化以半導體如TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3等作催化劑，其中TiO2具有價廉無毒、化學及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、催化活性好等優(yōu)點。TiO2是目前廣泛研究、效果較好的光催化劑之一。半導體之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。半導體粒子含有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶構(gòu)成，它們之前由禁帶分開。研究證明，當pH=1時銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV，半導體的光吸收閾值g與禁帶寬度Eg的關(guān)系為l（nm）=1240/Eg(eV)當用能量等于或大于禁帶寬度的光（<388

3、nm的近紫外光）照射半導體光催化劑時，半導體價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導帶上，因而在導帶上產(chǎn)生帶負電的高活性光生電子（e-），在價帶上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生電子-空穴對?？昭ň哂袕娧趸裕浑娮觿t具有強還原性。當光生電子和空穴到達表面時，可發(fā)生兩類反應。第一類是簡單的復合，如果光生電子與空穴沒有被利用，則會重新復合，使光能以熱能的形式散發(fā)掉。第二類是發(fā)生一系列光催化氧化還原反應，還原和氧化吸附在光催化劑表面上物質(zhì)。TiO2e-+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生成超氧自由基，它

4、與H+離子結(jié)合形成.OOH自由基：O2+e-+H+·O2-+H+·OOH2HOO·O2+H2O2H2O2+·O2OH+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物并使之完全無機化。有機物在光催化體系中的反應屬于自由基反應。甲基橙染料是一種常見的有機污染物，無揮發(fā)性，且具有相當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定，方法簡便，常被用做光催化反應

5、的模型反應物。四基橙的分子式如圖1所示：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)已有實驗分析，甲基橙是較難降解的有機物，因而以它作為研究對象有一定的代表性。三、儀器試劑磁力攪拌器2臺，抽濾裝置一套，烘箱一臺，高溫爐一臺，電子天平一臺，秒表一個，移液槍一支，722型可見光分光光度計1臺；可見光氙燈燈源1臺(附420nm濾波片)；培養(yǎng)皿兩套；甲基橙貯備液（15 mg/L），鈦酸丁酯一瓶，氨水一瓶，蒸留水，四、實驗步驟(1) N-TiO2光催化劑的制備配制質(zhì)量濃度為1%的氨水溶液100 ml，在強力攪拌下，向以上氨水溶液中加入鈦酸正丁酯8 ml，繼續(xù)

6、攪拌1 h，過濾，洗滌，在100oC下干燥10 min。在500oC下處理2 h，得到N-TiO2。 (2) 光催化活性測試取甲基橙溶液10 ml（15 mg L-1）分裝在兩個表面皿中，并分別加入0.1 g N-TiO2光催化劑，靜置10min，以使固液兩相達到吸附平衡，然后經(jīng)離心分離，取上層清液測試其濃度。然后將樣品置于可見光氙燈下光照。每隔2 min，取樣4 ml（此時關(guān)掉光源），用離心機離心，然后再用可見分光光度計測試甲基橙溶液波長為462nm處的吸收，并記錄實驗數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、 設計實驗數(shù)據(jù)表，記錄溫度。甲基橙初始的吸光度A0= 1.620 。 表11#：在無光催化劑作用

7、下，甲基橙在光照下的情況2#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在無光照下的情況3#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在光照下的情況反應時間/min0204060801001# (吸光度/A)1.6201.6081.6081.6061.6081.6111# Ln (C0/C)2# (吸光度/A)1.5881.6641.6171.6041.6011.5952# Ln (C0/C)3# (吸光度/A)1.7341.6671.6961.6441.6081.5843# Ln (C0/C)4#(吸光度/A)1.6591.5481.4841.4351.3841.3584#Ln（Co/C）納米Ti02光催

8、化降解甲基橙的反應是一級反應：即ln (C0/C) = kt顯然，以濃度ln (C0/C)對時間t作圖： 圖1 (1#) 由所得直線的斜率, 求出甲基橙降解的速率常數(shù)k(TiO2) = 由所得直線的斜率, 求出甲基橙降解的速率常數(shù)k(N-TiO2) = 據(jù)圖3可知，在0min中時ln (C0/C)t關(guān)系成一直線，因此符合假設，即N-Ti02光催化降解甲基橙的反應是一級反應。N-TiO2光催化劑在可見光作用下能有效地降解有機染料。6、結(jié)果與討論1)、用可見分光光度計測試甲基橙濃度的原理？2)、如何調(diào)整分光光度計零點打開722型分光光度計電源開關(guān)，預熱至穩(wěn)定。調(diào)節(jié)分光光度計的波長旋鈕至462nm。打開比色槽蓋，即在光路斷開時，調(diào)節(jié)“0”旋鈕，使透光率值為0.取一只1cm比色皿，加入?yún)⒈热芤赫麴s水，擦干外表面（光學玻璃面應用擦鏡紙擦拭），放入比色槽中，確保放蒸餾水的比色皿在光路上，將比色槽蓋合上，即光路通時，調(diào)節(jié)“100”旋鈕使透光率值為100%。3)、甲基橙光催化降解速率與