光催化降解甲基橙實驗報告

光催化降解染料甲基橙一、目的要求掌握確定反應級數的原理和方法；測定甲基橙光催化降解反應速率常數和半衰期；了解可見光分光光度計的構造、工作原理、掌握分光光度計的使用方法。二、實驗原理光催化始于1972年，Fujishima和Honda發(fā)現光照的TiO2單晶電極能分解水，引起人們對光誘導氧化還原反應的興趣，由此推動了有機物和無機物光氧化還原反應的研究。1976年，Cary等報道，在近紫外光照射下，曝氣懸浮液，濃度為50μg/L的多氯聯(lián)苯經半小時的光反應，多氯聯(lián)苯脫氯，這個特性引起了環(huán)境研究工作者的極大興趣，光催化消除污染物的亞牛日趨活躍。國內外大量研究表明，光催化法能有效地將烴類、鹵代有機物、表面活性劑、染料、農藥、酚類、芳烴類等有機污染物降解，最終無機化為CO2H2O，而污染物中含有的鹵原子、硫原子、磷原子和氮原子等則分別轉化為X-，SO42-，PO43-，PO43-，NH4+，NO3-等離子。因此，光催化技術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。光催化技術的研究涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學、化學反應動力學、催化材料、光化學和環(huán)境化學等多個學科，因此多相光催化科技是集這些學科于一體的多種學科交叉匯合而成的一門新興的科學。光催化以半導體如TiO2，ZnO，CdS，Fe2O3，WO3，SnO2，ZnS，SrTiO3，CdSe，CdTe，In2O3，FeS2，GaAs，GaP，SiC，MoS2等作催化劑，其中TiO2具有價廉無毒、化學及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、催化活性好等優(yōu)點，幫TiO2是目前廣泛研究、效果較好的光催化劑。半導體之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。半導體粒子含有能帶結構，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帶構成，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，半導體的光吸收閾值λg與禁帶寬度Eg的關系為λg（nm）=1240/Eg(eV)當用能量等于或大于禁帶寬度的光（λ<388nm的近紫外光）照射半導體光催化劑時，半導體價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導帶上，因而在導帶上產生帶負電的高活性光生電子（e-），在價帶上產生帶正電的光生空穴（h+），形成光生電子-空穴對?？昭ǖ哪芰浚═iO2）為7.5eV，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。第一類是簡單的復合，如果光生電子與空穴沒有被利用，則會重新復合，使光能以熱能的形式散發(fā)掉e-+h+→N+energy(hv’<hvorheat)第二類是發(fā)生一系列光催化氧化還原反應，還原和氧化吸附在光催化劑表面上物質。TiO2→e-+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生成超氧自由基，它與H+離子結合形成.OOH自由基：O2+e-+H+→·O2-+H+→·OOH2HOO·→O2+H2O2H2O2+·O2→OH+OH-+O2·O2-+2H+→H2O2此外·OH，·OOH和H2O2之間可以相互轉化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屬于自由基反應。四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的模型反應物。四基橙的分子式如圖1所示：圖1甲基橙分子結構圖1甲基橙分子結構從結構上看，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。根據已有實驗分析，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、儀器試劑722型分光光度計1臺；125W高壓汞燈1支；反應器1個；充氣泵1個；恒溫水浴1套；磁力攪拌器1臺；離心機1臺；臺秤1臺；秒表1塊；10mL移液管1支；20mL移液管1支；500mL量筒1支；吸耳球；離心管7支。圖3η圖3η~t圖討論與分析600mL40mg/L的甲基橙溶液，0.2克納米TiO2為催化劑，在高壓汞燈光照條件下，30min中內可以最大降解率約98.16%。該實驗中采用積分法中的作圖法由實驗數據確定反應級數時，舍去了30min的數據，是因為數據偏差較大，可能是因為離心后依然有部分TiO2懸浮在溶液中，而最后一組的吸光度應該很低，所以微量TiO2也會影響測定的準確性。最后得到ln(1/A)~t的線性相關度為99.29%，線性相關度好；說明納米Ti02在前30分鐘攪拌充分，甲基橙在催化劑達到吸附/脫附平衡，且光照反應、取樣、離心等操作到位，數據相關性較好。由η~t圖可知30min中內可以最大降解率約98.16%，且降解數度在約10分鐘前降解率和時間幾乎呈現線性關系，在之后的反應中降解率的變化變慢，降解速率下降，漸漸趨向平緩，越接近100%速率越低。七、思考題實驗中，為什么用蒸餾水作參比溶液來調節(jié)分光光度計的透光率值為100%？一般選擇參比溶液的原則是什么？答：用蒸餾水作參比溶液來調節(jié)分光光度計的透光率值為100%，以消除溶液中的水對光的吸收反射或散射造成的誤差。一般選擇參比溶液的原則：當試樣溶液、顯色劑及所用的其它試劑在測定波長處均無吸收時，可選用蒸餾水作參比液；若有顯色劑或其它試劑對入射光有吸收，應選用試劑空白為參比；若試樣中其它組分有吸收，而顯色劑無吸收且不與其它組分作用，應選用不加顯色劑的試樣溶液作參比液。甲基橙溶液需要準確配制嗎？答：不需要；根據實驗結