二氧化鈦的制備與光催化性能研究

1、合肥學(xué)院學(xué)生專題訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)報(bào)告合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系二氧化鈦光催化劑的制備及光催化性能的研究實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤尰瘜W(xué)本科生盡早了解和掌握光催化原理，熟悉光催化劑的制備和光催化反應(yīng)，在大量研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)涉及納米光催化劑的制備、催化劑的簡單表征和催化活性評(píng)價(jià)的綜合性實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生能夠?qū)獯呋哂休^好的了解。實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體帶隙能（如TiO2,其帶隙能為3.2eV）的光照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。從而使導(dǎo)帶產(chǎn)生高活性的電子（e）,而價(jià)帶上則生成帶正電的空穴（h+）,形成氧化還原體系，擠在表面產(chǎn)生具有高活性的羥基自由基。具有很強(qiáng)的氧化性，可以氧化很多

2、難降解的有機(jī)化合物（R）。粉體的制備可采用許多方法，如溶膠-凝膠法，水熱合成法等。本次試驗(yàn)采用溶膠-凝膠法。儀器與試劑：表1實(shí)驗(yàn)藥品藥品名稱化學(xué)式純度生產(chǎn)廠家濃硝酸hno3AR上?；瘜W(xué)試劑有限公司無水乙醇ch2ch2ohAR上海中試化工總公司鈦酸丁酯(TBT)CH3(CH2)3O4TiAR天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所冰醋酸cH3cOOHAR上海振企化學(xué)試劑有限公司亞甲基藍(lán)表2實(shí)驗(yàn)儀器儀器設(shè)備名稱型號(hào)生產(chǎn)廠家主要用途磁力加熱攪拌器85-2江蘇金壇市精達(dá)儀器制造廠攪拌反應(yīng)液電子天平ER-180A廣州市艾安得儀器有限公司準(zhǔn)確稱量超聲波清洗器KQ-400K昆山市超聲儀器有限公司超聲分散DE高速離心機(jī)TG1

3、6G鹽城凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司高速離心電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-902上海市精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司樣品干燥3A紫外可見分光光度計(jì)TU-1901北京普析通用儀器有限責(zé)任公司性能測試圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)過程：一：TiO2的制備量取17mL鈦酸丁酯，在磁力攪拌器攪拌下滴加入到22mL的無水乙醇中，制得鈦酸丁酯/乙醇溶液(A)；將22mL無水乙醇和一定量蒸餾水混合，并加入一定量的濃硝酸和冰醋酸，調(diào)節(jié)pH值在23之間(B)。將B以2d/s的速度在磁力攪拌器快速攪拌下滴入A中；滴完后繼續(xù)攪拌，形成均勻溶膠之后，持續(xù)快速攪拌至反應(yīng)器中無氣泡產(chǎn)生；將混合后的溶膠抽慮；所得樣品至于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中于95C干燥三個(gè)

4、小時(shí)。將干燥后的樣品研磨放入馬弗爐中于500C下煅燒處理，升溫速率為3C/min,保溫時(shí)間為2h，自然冷卻至室溫，研磨，即得所需產(chǎn)品，待用。二：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象配制溶液時(shí)，無明顯變化。磁力攪拌器攪拌時(shí)，溶液逐漸變淡黃黃，粘稠度增加，最后完全凝固，以致磁轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)在變化磁場中帶動(dòng)燒杯跳起。放于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中時(shí)，第12個(gè)小時(shí)，溶膠從底部開始慢慢開裂，第22.5小時(shí)，溶膠完全碎裂，底部出現(xiàn)淡黃色的粉末，第2.53小時(shí)，溶膠完全變?yōu)榉勰?。整體顏色淡黃底部黃色較深。打開坩堝，粉末為純白色，帶有少量烏黑色雜質(zhì)。三：性能測試：1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備亞甲基藍(lán)最大吸收波長的確定：配制一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液，在紫外可見分光光度

5、計(jì)上測量190800nm波長區(qū)間不同波長下吸光度值，將結(jié)果繪制成曲線，確定亞甲基藍(lán)最大的吸收波長為664.50nm圖2亞甲基藍(lán)吸光度曲線亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)定準(zhǔn)確稱取1.0000g亞甲基藍(lán)，溶于水中，轉(zhuǎn)移至1000mL的容量瓶，定容至刻度線；將其作為母液，用微量進(jìn)樣槍分別移取不同體積的母液配置成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。用紫外可見分光光度計(jì)在最大吸收波長(665.00nm)下測定亞甲基藍(lán)水標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以濃度C為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線；并對(duì)曲線線性擬合，并得出回歸方程，相關(guān)系數(shù)為0.9969。從圖中可以看出在該濃度范圍內(nèi)，C-A能較好地滿足線性關(guān)系，符合A=0.23133C方程0123

6、45678910Concentration(mg/L)表3不同濃度亞甲基藍(lán)吸光度值序號(hào)123456789濃度(mg/L)123456789吸光度值A(chǔ)0.2930.4810.6710.9901.0951.4741.5631.9012.026圖3亞甲基藍(lán)不同濃度吸光度曲線根據(jù)郎伯-比爾定律C/C0=A/A0，計(jì)算亞甲基藍(lán)的降解率，公式如下:C一C降解率=ox100%C0降解率%=（1-A/A0）*100%2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線吸光度與溶液濃度的關(guān)系可確定未知MB溶液的濃度。2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1）pH值對(duì)光催化劑的性能影響在催化劑投放量為0.02g、亞甲基藍(lán)濃度為6mg/L的前提下，用O.lmol/L的H

7、C1和NaOH在1-9范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溶液pH值，測試結(jié)果如下圖所示：表4不同pH值下亞甲基藍(lán)降解率圖4不同pH下亞甲基藍(lán)降解率序號(hào)12345pH值13579降解率0.488060.4970830.6131610.5224560.513094從圖中可以看出，二氧化鈦的催化效率與pH值有關(guān)，在弱酸性的調(diào)教下，催化效率達(dá)到最高值。3）光催化劑加入量的影響在降解液濃度不變及pH=3的情況下，通過Ni-N-TiO2/稻殼灰催化劑加入量的多少（0.01，0.02，0.03，0.04，0.05），測試其結(jié)果如圖所示：表5不同催化劑加入量下亞甲基藍(lán)降解率序號(hào)12345催化劑加入量0.010.020.030.040

8、.05降解率47.5983753.8263255.0203557.8493963.00543光催化劑加入量對(duì)催化效率的影響光催化劑加入量1光催化劑加入量對(duì)催化效率的影響圖5不同光催化劑加入量下的亞甲基藍(lán)降解率從圖中可以看出，隨著催化劑用量的增加，光催化劑的催化性能增強(qiáng)，這可能是一定量的催化劑投加量范圍內(nèi)，吸收光子的幾率隨液相體系中TiO2的增加而增加，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增加，表面具有更多的氧化還原自由基，因此降解率也增加。實(shí)驗(yàn)總結(jié)及討論：1）從圖中可以看出，二氧化鈦的催化效率與PH值有關(guān)，在弱酸性的調(diào)教下，催化效率達(dá)到最高值。這可能是弱酸性條件適合納米粒子在溶液中的分散。由于納米粒子表面帶有電

9、荷，溶液中一些帶相反電荷的離子靠庫侖引力緊密吸附在粒子表面構(gòu)成吸附層，形成雙電層，雙電層產(chǎn)生的屯電位越大，則斥力越大，越有利于粒子的分散，當(dāng)顆粒的電位等于0時(shí)（即等電點(diǎn)）粒子之間的庫侖斥力將完全消失。當(dāng)庫侖斥力遠(yuǎn)小于范德華力時(shí)，粒子將發(fā)生團(tuán)聚。通常情況下，納米粒子在溶液中分散得越好，受光照射的面積越大，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，同時(shí)空穴和電子遷移到TiO2表面的越多，光催化性能就越好。2）隨著催化劑用量的增加，光催化劑的催化性能增強(qiáng)，這可能是一定量的催化劑投加量范圍內(nèi)，吸收光子的幾率隨液相體系中TiO2的增加而增加，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增加，表面具有更多的氧化還原自由基，因此降解率也增加。3）試驗(yàn)

10、中制取二氧化鈦膠體時(shí)，我們小組是一次性成功制取，因此在第一個(gè)環(huán)節(jié)上有空閑時(shí)間，我們與別的小組交流了制取經(jīng)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn)其他小組失敗的現(xiàn)象都是B液滴進(jìn)了A液后產(chǎn)生了沉淀的現(xiàn)象。根據(jù)大家的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，我們一起找到了解決方案，那就是控制B液滴入的速度，成功的小組基本上都是控制在至少40s一滴。這可能是因?yàn)樾纬赡z體同樣需要反應(yīng)時(shí)間，滴加過快使得反應(yīng)直接生成沉淀，而沉淀不可能再水解成膠體。4）烘烤膠體的過程中，底部粉末較黃是正?，F(xiàn)象，燒杯底部直接接觸熱源，吸收熱量較多。5）使用紫外可見光光度計(jì)時(shí)，一定要注意放石英槽時(shí)槽有四個(gè)面，其中2個(gè)面是磨毛的，一定要讓出光口對(duì)透明的槽面。6）取數(shù)據(jù)時(shí)，選取光波長為665nm的吸光度，再用公式算出降解率。實(shí)驗(yàn)體會(huì)：實(shí)驗(yàn)前，由于我們小組自己的失誤，沒有好好預(yù)習(xí)，導(dǎo)致老師在實(shí)驗(yàn)之前的討論上連實(shí)驗(yàn)的基本原理都沒有回答出來，是在是汗顏，也可能是這個(gè)原因，我們在做實(shí)驗(yàn)時(shí)也格外認(rèn)真，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們表現(xiàn)也得到了肯定。這次實(shí)驗(yàn)也讓我們明白了，一個(gè)再難的問題，只要你用心去研究它，慢慢地，在你了解的它越來越多之后，再難的問題也會(huì)變得簡單。另外團(tuán)隊(duì)合作也是一個(gè)重要的部分，一個(gè)能做的總是有限，沒有同伴的合作分工，這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)很難做完。而且肯定手忙腳亂。其次，在實(shí)驗(yàn)中耐心很重要，從制取膠體到烘烤膠體再到煅燒膠體，都是很耗時(shí)間的過程，所以做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候必須不