合肥学院化工系专能训练课题研究二氧化钛光催化实验方案.doc

二氧化钛光催化实验方案
指导老师:张慧
课题组成员：王兴男、刘克峰、石侃 执笔人：刘克峰

一、问题的提出
（1）纳米TiO2由于具有高效、廉价、耐化学腐蚀以及高光催化活性、绿色环保等特点，所以TiO2光催化技术是当今研究的热点。
（2）大量研究报道表明：纳米TiO2光催化技术对水体污染物如无机物、染料、农药、表面活性剂、含油废水、高分子聚合物等的降解有着明显的优势。据不完全统计，约有几十种模拟染料废水进行了脱色与矿化实验，可选择实验室现有的染料进行光催化降解实验，对比和考察制备的纳米TiO2催化剂的光催化活性。
二、实验假设与理论依据
1.实验假设
国内外大量研究表明，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，最终无机化为CO2, H2O。因此，光催化技术具有在常温常压下进行，彻底消除有机污染物，无二次污染等优点。
光催化技术的研究涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、化学反应动力学、催化材料、光化学和环境化学等多个学科，因此多相光催化科技是集这些学科于一体的多种学科交叉汇合而成的一门新兴的科学。
通过该课题实验研究，使本小组成员更好地了解到了光催化机理，从而结合本专业知识应用到实际生产生活中。加深对专业知识的探究和应用，使学生自觉地学习、自主地学习。
2.理论依据
光催化以半导体如TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3等作催化剂，其中TiO2具有价廉无毒、化学及物理稳定性好、耐光腐蚀、催化活性好等优点。TiO2是目前广泛研究、效果较好的光催化剂之一。
半导体之所以能作为催化剂，是由其自身的光电特性所决定的。半导体粒子含有能带结构，通常情况下是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，它们之前由禁带分开。研究证明，当pH=1时锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV，半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg的关系为
l（nm）=1240/Eg(eV)
当用能量等于或大于禁带宽度的光（λ<388nm的近紫外光）照射半导体光催化剂时，半导体价带上的电子吸收光能被激发到导带上，因而在导带上产生带负电的高活性光生电子（e-），在价带上产生带正电的光生空穴（h+）,形成光生电子-空穴对。空穴具有强氧化性；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。
第二类是发生一系列光催化氧化还原反应，还原和氧化吸附在光催化剂表面上物质。
TiO2→e-+h+
OH-+h+→·OH
H2O+h+→·OH+H+
A+h+→·A
另一方面，光生电子可以和溶液中溶解的氧分子反应生成超氧自由基，它与H+离子结合形成.OOH自由基：
O2+e-+H+→·O2-+H+→·OOH
2HOO·→O2+H2O2
H2O2+·O2→OH+OH-+O2
·O2-+2H+→H2O2
此外·OH,·OOH和H2O2之间可以相互转化
H2O2+·OH→·OOH+H2O2

利用高度活性的羟基自由基.OH无选择性地将氧化包括生物难以降解的各种有机物并使之完全无机化。有机物在光催化体系中的反应属于自由基反应。
甲基橙染料是一种常见的有机污染物，无挥发性，且具有相当高的抗直接光分解和氧化的能力；其浓度可采用分光光度法测定，方法简便，常被用做光催化反应的模型反应物。四基橙的分子式如图1所示：

从结构上看，它属于偶氮染料，这类染料是染料各类中最多的一种，约占全部染料的50%左右。根据已有实验分析，甲基橙是较难降解的有机物，因而以它作为研究对象有一定的代表性。
三、实验目标
1.科研目标
通过纳米TiO2光催化降解有机物课题实验，研究对水体污染物如无机物、染料、农药、表面活性剂、含油废水、高分子聚合物等的降解功效
2.育人目标
为化工专业提高了一个良好的学生合作、自我动手、师生交流的平台，使课题小组成员初步掌握了二氧化钛光催化机理和实验方法。
四、实验对象、方法及手段
1.实验对象
N-TiO2光催化剂、甲基橙溶液
2.实验方法
可见光光催化二氧化钛，降解甲基橙
3.检测手段（数据统计）
通过可见分光光度计测试甲基橙溶液波长为462nm处的吸收，并记录实验数据。
五、实验原则
实验过程坚持求真务实、实事求是的原则，坚决杜绝实验作假，编造实验数据。
六、实验内容
N-TiO2光催化剂的制备、光催化活性测试
七、实验步骤
1.准备阶段（2012年6月12日至2012年6月13日）
具体做法：
① 准备实验仪器及用品：磁力搅拌器2台，抽滤装置一套，烘箱一台，高温炉一台，电子天平一台，秒表一个，移液枪一支，722型可见光分光光度计1台；可见光氙灯灯源1台(附420nm滤波片)；培养皿两套；甲基橙贮备液（15 mg/L），钛酸丁酯一瓶，氨水一瓶，蒸馏水。
②做好实施前各项准备，明确实验目的，清楚实验误差的所在，并尽量规避之。
2.实施阶段（2012年6月13日开始）
具体做法：
（1）N-TiO2光催化剂的制备
配制质量浓度为1%的氨水溶液100 ml，在强力搅拌下，向以上氨水溶液中加入钛酸正丁酯8 ml，继续搅拌1 h，过滤，洗涤，在100oC下干燥10 min。在500oC下处理2 h，得到N-TiO2。
（2）光催化活性测试
取甲基橙溶液10 ml（15 mg L-1）分装在两个表面皿中，并分别加入0.1 g N-TiO2光催化剂，静置10min，以使固液两相达到吸附平衡，然后经离心分离，取上层清液测试其浓度。然后将样品置于可见光氙灯下光照。每隔2 min，取样4 ml（此时关掉光源），用离心机离心，然后再用可见分光光度计测试甲基橙溶液波长为462nm处的吸收，并记录实验数据。
（3）数据记录与处理
1、 设计实验数据表，记录温度。甲基橙初始的吸光度A0= 。
表——1
1#：在无光催化剂作用下，甲基橙在光照下的情况
2#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在无光照下的情况
3#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在光照下的情况
反应时间/min
0
20
40
60
80
100
1# (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）

纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应：即ln (C0/C) = kt
显然，以浓度ln (C0/C)对时间t作图， 并由所得直线的斜率, 求出甲基橙降解的速率常数k(N-TiO2) = 。
3.分析阶段
对实验数据进行分析，总结实验结果。
八、总结问题
对实验中发现的问题，及遇到的困难进行总结对比。
参考文献：
小木虫网
中国知网—知网空间
《二氧化钛光催化薄膜》崔玉民，张文保，洪文珊 化学工业出版社 2011-7-1
《二氧化钛光催化技术》崔玉民，陶栋梁，李慧泉 中国书籍出版社 2010-12