1、二氧化鈦光催化實驗方案指導(dǎo)老師:張慧課題組成員：王興男、劉克峰、石侃 執(zhí)筆人：劉克峰一、問題的提出（1）納米TiO2由于具有高效、廉價、耐化學(xué)腐蝕以及高光催化活性、綠色環(huán)保等特點，所以TiO2光催化技術(shù)是當今研究的熱點。（2）大量研究報道表明：納米TiO2光催化技術(shù)對水體污染物如無機物、染料、農(nóng)藥、表面活性劑、含油廢水、高分子聚合物等的降解有著明顯的優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，約有幾十種模擬染料廢水進行了脫色與礦化實驗，可選擇實驗室現(xiàn)有的染料進行光催化降解實驗，對比和考察制備的納米TiO2催化劑的光催化活性。二、實驗假設(shè)與理論依據(jù)1.實驗假設(shè)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

2、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(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、催化材料、光化學(xué)和環(huán)境化學(xué)等多個學(xué)科，因此多相光催化科技是集這些學(xué)科于一體的多種學(xué)科交叉匯合而成的一門新興的科學(xué)。通過該課題實驗研究，使本小組成員更好地了解到了光催化機理，從而結(jié)合本專業(yè)知識應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中。加深對專業(yè)知識的探究和應(yīng)用，使學(xué)生自覺地學(xué)習(xí)、自主地學(xué)習(xí)。2.理論依據(jù)光催化以半導(dǎo)體如TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3等作催化劑，

3、其中TiO2具有價廉無毒、化學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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（<388nm的近紫外光）照射半導(dǎo)體光催化劑時，半導(dǎo)體價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導(dǎo)帶上，因而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生帶負電的高活性光生電子（e-），在價帶

4、上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生電子-空穴對。空穴具有強氧化性；電子則具有強還原性。當光生電子和空穴到達表面時，可發(fā)生兩類反應(yīng)。第一類是簡單的復(fù)合，如果光生電子與空穴沒有被利用，則會重新復(fù)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(yīng)，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(yīng)生成超氧自由基，它與H+離子結(jié)合形成.OOH自由基：O2+e-+H+·O2-+H+·OOH2HOO·O2+H2O2H2O2

5、+·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(yīng)屬于自由基反應(yīng)。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(yīng)的模型反應(yīng)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

6、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、實驗?zāi)繕?.科研目標通過納米TiO2光催化降解有機物課題實驗，研究對水體污染物如無機物、染料、農(nóng)藥、表面活性劑、含油廢水、高分子聚合物等的降解功效2.育人目標為化工專業(yè)提高了一個良好的學(xué)生合作、自我動手、師生交流的平臺，使課題小組成員初步掌握了二氧化鈦光催化機理和實驗方法。四、實驗對象、方法及手段1.實驗對象N-TiO2光催化劑、甲基橙溶液2.實驗方法可見光光催化二氧化鈦，降解甲基橙3.檢測手段（數(shù)據(jù)統(tǒng)計）通過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、實驗原則實驗過程堅持求真務(wù)實、實事求是

7、的原則，堅決杜絕實驗作假，編造實驗數(shù)據(jù)。六、實驗內(nèi)容N-TiO2光催化劑的制備、光催化活性測試七、實驗步驟1.準備階段（2012年6月12日至2012年6月13日）具體做法：準備實驗儀器及用品：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，蒸餾水。做好實施前各項準備，明確實驗?zāi)康模宄嶒炚`差的所在，并盡量規(guī)避之。2.實施階段（2012年6月13日開始）具體做法：（1）N-TiO2光催化劑的制備配制質(zhì)量濃度為1%的

8、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)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)。（3）數(shù)據(jù)記錄與處理1、 設(shè)計實驗數(shù)據(jù)表，

9、記錄溫度。甲基橙初始的吸光度A0= 。 表11#：在無光催化劑作用下，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(yīng)時間/min0204060801001# (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）納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級反應(yīng)：即ln (C0/C) = kt顯然，以濃度ln (C0/C)對時間t作圖， 并由所得直線的斜率, 求出甲基橙降解的速率常數(shù)k(N-TiO2) = 。