实验 TiO2光催化降解甲基橙性能研究-liang

实验二 TiO2光催化降解甲基橙性能研究一、目的要求1、 掌握确定反应级数的方法；.2、 测定甲基橙光催化降解反应速率常数和半衰期；3、 了解光催化反应仪的以及可见分光光度计的使用方法。二、基本原理1972年Fujishima和Honda发现光照的TiO2单晶电极能分解水，推动了有机物和无机物光氧化还原反应的研究。1976年，Cary在近紫外光的照射下用二氧化钛的悬浊液可使多氯联苯脱氯，光催化反应逐渐成为人们关注的热点之一。光催化法能有效地将烃类、卤代有机物、表面活性剂、染料、农药、酚类、芳烃类等有机污染物降解为相对环境友好的，等无机物，污染物中的原子、原子、原子和原子等则分别转化为， -， -等无机离子。光催化法具有能够彻底消除有机污染物，无二次污染，且可在常温常压下进行等优点，因此在消除污染物的研究领域日趋活跃。光催化通常以半导体如， ，等作催化剂，其中具有价廉无毒、化学及物理光腐蚀、催化活稳定性好、耐性好等优点，是目前广泛研究、效果较好的光催化剂。目前，纳米的制备技术及在水和气相有机、无机污染物的光催化去除等研究取得很大进展，是极具前途的环境污染深度净化技术，在环境保护领域受到广泛关注。半导体自身的光电特性决定其催化剂特性。半导体含有能带结构，一般是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，中间隔着禁带。当半导体价带上的电子吸收光能被激发到导带，在导带上产生带负电的高活性光生电子（），在价带上留下空穴产生带正电的光生空穴（），形成光生电子-空穴对，研究证明，当pH=1时用能量等于或大于禁带宽度的光（388nm的近紫外光）照射锐钛矿型半导体光催化剂时，空穴的能量为7.5eV，具有强氧化性；电子则具有强还原性。当光生电子和空穴到达表面时，可发生两类反应。第一类是简单的复合，如果光生电子与空穴没有被利用，则会重新复合，使光能以热能的形式散发掉 第二类是电子和空穴在移动到表面后，分别和表面物质反应生成高活性的氧化自由基。主要的一些反应如下：此外，和之间可以相互转化 有机物即使是生物也难以降解的各种有机物，在光催化体系中利用高度活性的羟基自由基反应，被无选择性地氧化成无机化合物。无机化合物？甲基橙染料无挥发性，是一种工业上常见的偶氮类染料。其分子式如图所示：图1 甲基橙分子结构实验证明甲基橙是较难降解的有机污染物，具有相当高的抗直接光分解和氧化的能力；且其浓度可采用分光光度法测定，方法简便，因而常被用做光催化反应的模型反应物。门锁开关反应试管开关高压汞灯按钮光化学反应仪器 光源冷却水循环装置图2 实验装置图三、仪器 试剂722型分光光度计 1台300W高压汞灯 1支光催化反应器 1个充气泵 1个恒温水浴 1套磁力搅拌器 1台离心机 1台台秤 1台秒表 1块10mL移液管 1支20mL移液管 1支500 mL量筒 1支吸耳球 1个离心管 7支甲基橙贮备液（1000mg/L）纳米TiO2（P25）四、实验步骤1、配置20mg/L甲基橙溶液。向500ml的容量瓶中加入10mL的1000mg/L的甲基橙贮备液，用水稀释至刻度，配成20 mg/L的甲基橙溶液。2、调整分光光度计零点打开722型分光光度计电源开关，预热至稳定。调节分光光度计的波长旋钮至462nm。打开比色槽盖，即在光路断开时，调节“0”旋钮，使透光率值为0.取一只1cm比色皿，加入参比溶液蒸馏水，擦干外表面（光学玻璃面应用擦镜纸擦拭），放入比色槽中，确保放蒸馏水的比色皿在光路上，将比色槽盖合上，即光路通时，调节“100”旋钮使透光率值为100%。3、甲基橙光催化降解（1）每次取0.01g 的催化剂放入光催化反应器，并加入50 ml的20 mgL甲基橙水溶液，含催化剂的甲基橙水溶液首先在暗处预吸附30min，使甲基橙在催化剂的表面达到吸附/脱附平衡。（2）打开光反应仪器的光源，选取300W高压汞灯，波长设置为254nm。在磁力搅拌下，每隔5 min取约5ml溶液，将所得样品在XX转速下离心分离5min去除催化剂，取上层清液测试。共测试30min。（3）采用721型紫外-可见分光光度计在最大吸收波长462nm处测试溶液的吸光度。根据吸光度与浓度的关系计算甲基橙的降解程度： Co为甲基橙的初始浓度，C为不同时刻所取得上层清夜的浓度。（4）同时取一份50ml不加TiO2催化剂的20mg/L甲基橙水溶液，在相同条件下进行空白实验。步骤3的操作要点简洁方框图光反应仪300W，254nm催化反应50ml， 的甲基橙水溶液 + 0.01gTiO2光反应仪暗处预吸附30min 每隔5 min取5ml溶液离心分离取上层清液721型紫外-可见分光光度计，462nm，测吸光度五、数据处理1、将实验数据列表，格式如下：室温： 大气压：表1 甲基橙光催化降解实验数据/min 0510152025302、采用积分法中的作图法，作 关系图，根据动力学相关知识，确定反应级数。3、由所得直线的斜率求出反应的速率常数。4、计算甲基橙光催化降解的半衰期。5、作图，分析甲基橙的降解率与时间的关系。六、注意事项1.先开激光冷水机，再开光反应仪器的高压汞灯，以免影响汞灯寿命。2. 甲基橙的降解一般认为是一级反应，对于不同的降解物，动力学并不相同。3. 离心分离时，一定要离心彻底，离心一次不够的话，重复离心一次。保证清夜中不能有固体粉末。4.实验温度、搅拌速度等条件会影响催化效果，催化剂和空白对照的实验要同时进行，并且保证反应条件一致。七、思考题1. 实验中，为什么用蒸馏水作参比溶液来调节分光光度计的透光率值为100%？一般选择参比溶液的原则是什么？2. 甲基橙溶液需要准确配制吗？3. 甲基橙光催化降解速率与哪些因素有关？