催化二氧化鈦實(shí)驗(yàn)

1、催化實(shí)驗(yàn)2納米二氧化鈦光催化性能研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饧{米光催化材料的性質(zhì)；確定納米二氧化鈦光催化降解羅丹明B水溶液的反應(yīng)速率常數(shù)；了解光催化劑催化性能評(píng)價(jià)的一般方法。二、實(shí)驗(yàn)原理納米粉體是指顆粒粒徑介于1 100 nm之間的粒子。由于顆粒尺寸的微細(xì)化， 使得納米粉體在保持原物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，與塊狀材料相比，在磁性、光吸收、熱 阻、化學(xué)活性、催化和熔點(diǎn)等方面表現(xiàn)出奇異的性能。納米TiO2具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。比表面積大，表面張力大，熔點(diǎn)低，磁性強(qiáng)，光 吸收性能好，特別是吸收紫外線(xiàn)的能力強(qiáng)，表面活性大，熱導(dǎo)性能好，分散性好等。自1972年Fujishima等發(fā)現(xiàn)Ti O 2電極在光照下分解水的功能

2、以來(lái)，有關(guān)二 氧化鈦等半導(dǎo)體光催化劑的研究成為能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。利用TiO2 粉末對(duì)各種有機(jī)污染物以及工業(yè)廢水中的有毒物質(zhì)進(jìn)行處理的研究發(fā)現(xiàn)，TiO2不僅能降解、完全礦化絕大部分有機(jī)物，還能殺死微生物，甚至能還原溶液中的有毒 金屬離子。一般認(rèn)為二氧化鈦的禁帶寬度為3.03.2eV,在紫外光區(qū)才有吸收，只能利用太 陽(yáng)光的5%左右，對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光的利用率就更低，低的光量子力效率是限制二氧化鈦 光催化實(shí)際應(yīng)用的主要原因。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體受光激發(fā)后會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。TiO2受到大于禁帶寬度 能量的光子照射后，價(jià)帶中的電子就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生高活性電子e和空穴 h，電子具有還原性，空穴具

3、有氧化性，空穴與TiO2表面的OH-反應(yīng)生成氧化性很高 的OH自由基，激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴也可以重新復(fù)合，使光能以熱或其他 形式散發(fā)掉。 TOC o 1-5 h z TQ+靜e + he + h 熱量（2）-+一般而言，TiO2的光催化離不開(kāi)空氣和水溶液，這是因?yàn)樗肿踊蜓鯕夥肿优c光生電子或空穴結(jié)合可產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)極為活潑的自由基，其反應(yīng)歷程如下： TOC o 1-5 h z h + 比 0 OH + H(3)h + OH OH(4)+-電子(e)與表面吸附的氧分子反應(yīng)歷程：02+ e 02(5)02 + H20 OOH + OH(6)200H O2+ H2O2(7)OOH + H2O +

4、 e H2O2+ OH(8)H2O2+ e OH + OH(9)H2O2+ 02 OH + OH(10)在上面的式子中，活潑的羥基自由基(OH)以及超氧離子自由基(o2J，都是氧化 性很強(qiáng)的活潑自由基，能夠?qū)⒏鞣N有機(jī)物直接氧化為CO2、H2O等無(wú)機(jī)小分子。因?yàn)?它們的氧化能力強(qiáng)，氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。納米TiO2作光催化劑，其活性比普通TiO2(約10耐高得多。為考查光催 化劑對(duì) 染料化合物的光催化降解能力，選用羅丹明B一種常見(jiàn)的堿性染料一一作為目標(biāo) 反應(yīng)物進(jìn)行光催化脫色反應(yīng)。羅丹明B溶液在553nm處有最大吸收峰，可以在波長(zhǎng)為553nm處測(cè)量羅丹 明 B溶液的吸光度，

5、用反應(yīng)前后溶液的吸光度變化率來(lái)表示催化劑的光催化活性。而催 化劑對(duì)目標(biāo)反應(yīng)物的吸附也會(huì)導(dǎo)致濃度變化，所以，將催化劑對(duì)羅丹明B溶液暗態(tài)吸附1h后的吸光度，計(jì)為羅丹明B光催化脫色反應(yīng)的初始濃度，故測(cè)量 光照射前后吸光度的變化，以下式表示催化劑的光催化活性：Activity( %) = A x 100%(11)A式中A0是充分混合(暗態(tài))待催化劑吸附達(dá)平衡后羅丹明B溶液的吸光度，A是光照后 溶液的吸光度。反應(yīng)液的吸光度數(shù)據(jù)In(A0/A)與時(shí)間t有很好的線(xiàn)性關(guān)系，表明在該光催化劑條 件下，羅丹明B的光催化脫色反應(yīng)呈現(xiàn)出一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的規(guī)律。測(cè)定反 應(yīng)系統(tǒng)在不 同時(shí)刻的濃度，分析其與時(shí)間t的相關(guān)性，可

6、以確定在該條件下反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律， 求出反應(yīng)速率常數(shù)。若得到不同溫度時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)，即可求出該反應(yīng)的表觀活 化能。朗伯一比耳定律：A= & 1c (12)A為溶液的吸光度；I為比色皿光徑長(zhǎng)度；&為吸收系數(shù)；c為羅丹明B溶液 的濃 度。一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k： TOC o 1-5 h z lnA=lnAo kt(13)用InA對(duì)t作圖應(yīng)為一直線(xiàn)，由其斜率線(xiàn)可求速率常數(shù)k。半衰期：ti/2 二 In2/k(14)三、儀器與藥品 分光光度計(jì)，離心機(jī)，電動(dòng)攪拌器，光催化反應(yīng)器(自制)，鹵鎢 燈(220V 500W)羅丹明B,納米二氧化鈦P25 (德國(guó)Degussa公司產(chǎn)品)。四、實(shí)驗(yàn)步驟取羅丹明B水溶液

7、(5mg/L)100 mL置于光催化反應(yīng)器(自制)中，加入0.1 g P25,避 光，開(kāi)啟冷凝水，攪拌(實(shí)驗(yàn)老師已經(jīng)負(fù)責(zé)加入)。半小時(shí)后，取3 mL反應(yīng)液，離心分離，測(cè)上層清液的吸光度A0。再過(guò)20分鐘，取3 mL反應(yīng)液，離心分離，測(cè)上層清液的吸光度A。，將其與 第 2步測(cè)定的吸光度進(jìn)行比較，判斷羅丹明B在催化劑上是否達(dá)到吸附平衡。確認(rèn)羅丹明B在催化劑上達(dá)到吸附平衡后，打開(kāi)鹵鎢燈，每隔15min取樣3 mL反 應(yīng)液(開(kāi)燈后總共取4組樣品)，離心分離，取上層清液用分光光度法測(cè)定其吸光度 A。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉鹵鎢燈，停止攪拌，清洗反應(yīng)器，將儀器恢復(fù)原位，桌面擦拭干 凈。五、注釋1 .數(shù)據(jù)處理lnA對(duì)t作圖，求出k及t1/2。注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀離心機(jī)說(shuō)明書(shū)，使用時(shí)一定要遵守操作規(guī)程。六、思考題1 .如何確定光催化劑的暗態(tài)吸附是否達(dá)到平衡？ 2.簡(jiǎn)述TiO2做為 光催化劑降解有機(jī)污染物的原理。欲提高TiO2的光催化活性，你認(rèn)為可采取哪些措施？七、參考文獻(xiàn)Fujishima A，Honda K. NatureJ. 1972，37:238239.Piscopo A，Robert D，Weber J V. Journal of Photo chemistry and Photobiology A: ChemistryJ. 2001， 139 (