紫外可见光光度计在TiO2的光电催化性能研究上的应用

1、上海大学20122013学年秋季学期研究生课程考试课程名称： 仪器分析 课程编号： 11S009002 论文题目: UV-VIS在光电催化性能研究上的应用 研究生姓名: 林栋 学 号: 12721858 论文评语:成 绩: 任课教师: 张剑秋 评阅日期: UV-VIS在研究光电催化性能上的应用林栋 12721858 海大学 环境与化学工程 化学工程与技术专业摘要：紫外可见分光光度法从问世以来，在应用方面有了很大的发展，尤其是在相关学科发展的基础上，促使分光光度计仪器的不断创新，功能更加齐全，使得光度法的应用更拓宽了范围。目前，分光光度法已为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广泛采用，成为人们

2、从事生产和科研的有力测试手段。在光电催化性能研究实验中，紫外可见分光光度计法能够测量光电催化剂对有机物的降解程度，是研究光电催化试验中必不可少的仪器。本文首先介绍紫外可见分光光度法，然后介绍其在TiO2 和ZnO对有机物的光电降解实验的应用。关键词：紫外可见分光光度计 TiO2 ZnO 光电催化性能Abstract：Ultraviolet and visible spectrophotometry from its inception, the application has made great progress, especially in the related discipline d

3、evelopment foundation, prompting spectrophotometer apparatus of continuous innovation, function more complete, the spectrophotometric application broadens the scope of.At present, spectrophotometric method for industrial and agricultural sectors and scientific research in various fields has been wid

4、ely used, become people engaged in the production and scientific research of the effective means of testing.In a photoelectric catalytic performance of experiments, UV-Vis spectrophotometer method capable of measuring a catalyst for organic pollutants degradation degree, is the study of photoelectri

5、c catalytic test essential instrument.This article first introduces the UV-vis spectrophotometry, and then introduced in the TiO2 and ZnO on organic matter degradation experiments on Application of photoelectric.Key word：Uv-vis spectrophotometer TiO2 ZnO photoelectric catalytic performance1.背景介绍首先介绍

6、下紫外可见分光光度计的发展史.1852年，比尔（Beer）参考了布给尔（Bouguer）1729年和朗伯（Lambert）在1760年所发表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液层厚度相等时，颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例，从而奠定了分光光度法的理论基础，这就是著名的比尔朗伯定律。1854年，杜包斯克（Duboscq）和奈斯勒（Nessler）等人将此理论应用于定量分析化学领域，并且设计了第一台比色计。到1918年，美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。此后,无论在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域,还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门,紫外可

7、见分光光度计督有广泛而重要的应用。 由此可见紫外可见分光光度计有着较长的历史,现今其主要理论框架早已建立,制作技术相对成熟，至今仍是应用最广泛的分析方法之一。但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、快速、可靠的同时,小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光光度计新的增长点13。紫外可见分光光度计作为一项产业,用户的需求是其发展的根本动力,面向客户、以人为本是设计和制造紫外可见分光光度计应该遵循的法则。2. 紫外可见分光光度计2.1紫外可见分光光度计的基本原理每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据

8、吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础4-5 。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质问相互作用的有效手段。紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯一比尔定律。即物质在一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度呈正比，其数学表示式3如下 (1)式中：A一吸光度；a一摩尔吸光系数；b一、吸收介质的厚度；c一吸光物质的浓度。2.2. 紫外可见分光光度计的仪器组成一般地，紫外可见分光光度计主要由光源系统、单色器系统、样品室、检测系统组成(图1)。光源发的复合光通过单色器被分解成单色光，当单色光通过样品室时，一部分被样品吸收，其

9、余未被吸收的光到达检测器，被转变为电信号，经电子电路的放大和数据处理后。通过显示系统给出测量结果。图1 紫外可见光光度计的结构Fig 1 UV-VIS spectrophotometer structure2.3紫外可见分光光度计的特点分光光度法对于分析人员来说，可以说是最常用和有效的工具之一。几乎每一个分析实验室都离不开紫外可见分光光度计。分光光度法具有以下主要特点。2.3.1较高的灵敏度首先是新的显色剂的大量合成和技术进步，使得对元素测定的灵敏度有所推进，特别是有关多元络合物和各种表面活性剂的应用研究，使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到数十万5。2.3.2 较好的选择性目前已有些元

10、素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定，如钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定，已有比较满意的方法了。2.3.3高的准确度对于一般的分光光度法，其浓度测量的相对误差在l3范围内，如采用示差分光光度法进行测量，则误差可减少到01。2.3.4分析成本低、操作简便、快速、应用广泛由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收，因此均可借此法加以测定。到目前为止，几乎化学元素周期表上的所有元素滁少数放射性元素和惰性元素之外)均可采用此法。在国际上发表的有关分析的论文总数中，光度法约占28，我国约占所发表33%6-7.2.4. 紫外可见分光光度计的一般应用2.4.1 检定物质 据吸收光谱图上

11、的一些特征吸收，特别是最大吸收波长和摩尔吸收系数是检定物质的常用物理参数。这在药物分析上就有着很广泛的应用。在国内外的药典中，已将众多的药物紫外吸收光谱的最大吸收波长和吸收系数载入其中，为药物分析提供了很好的手段。 2.4.2 与标准物及标准图谱对照 样品和标准样品以相同浓度配制在同一溶剂中，在同一条件下分别测定紫外可见吸收光谱。若两者是同一物质，则两者的光谱图应完全一致。如果没有标样，也可以和现成的标 准谱图对照进行比较7。这种方法要求仪器准确，精密度高，且测定条件要相同5-8。4.3 比较最大吸收波长吸收系数的一致性由于紫外吸收光谱只含有23个较宽的吸收带，而紫外光谱主要是分子内的发色团在

12、紫外区产生的吸收，与分子和其它部分关系不大。具有相同发色团的不同分子结构，在较大分子中不影响发色团的紫外吸收光谱，不同的分子结构有可能有相同的紫外吸收光谱，但它们的吸收系数是有差别的。纯度检验 紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫外吸收的杂质。如果化合物的紫外可见光区没有明显的吸收峰，而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰，就可以检测出化合物中的杂质。2.4.5 推测化合物的分子结构 不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同。这可以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度，以确定选择哪一种溶剂。2.4.6 氢键强度的测定实验证明，不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同，这可以利用紫外光谱来判断化合

13、物在不同溶剂中氢键强度，以确定选择哪一种溶剂 。 2.4.7 络合物组成及稳定常数的测定 金属离子常与有机物形成络合物，多数络合物在紫外可见区是有吸收的，我们可以利用分光光度法来研究其组成9-12。3. 紫外可见分光光度计在研究光电催化性能上的应用3.1紫外可见分光光度计在研究TiO2光电催化性能上的应用随着经济社会的发展，环境污染问题日益严重。其中，水污染问题给人类的生产生活带来了较大的影响，染料废水污染尤为严重。染料废水具有色度深、浓度高、毒性大、可生化性差等特点，因此如何有效的降解染料废水成为一个亟待解决的问题。光催化技术利用太阳光作为光源来催化光催化剂，驱动氧化还原反应，达到净化目的。

14、与传统水处理技术相比，此方法具有明显的节能、高效、污染物降解彻底等优点，因此在降解染料废水方面成为了研究热点。为了提升催化剂的回收率，大量研究将催化剂附着在导电衬底上。研究证明，将催化剂附着在导电衬底上，在外加偏压的作用下，光生电子和空穴在外加电场的作用下能够有效的分离，光催化降解效率得到了明显提升14。3.1 .1TiO2光电催化实验 分别将薄片和纳米管TiO2做工作电极,甘汞电极作参比电极,铂电极做对电极,在外加电压和光照下,研究不同TiO2形态对五氯酚的降解情况。3.1.2紫外可见分光光度计的应用用紫外可见分光光度计对样品浓度进行检测，分别记录好数据。如下图图2 不同形貌二氧化钛对样品的

15、降解效果紫外可见光图谱Fig.2 different morphologies of titanium dioxide on sample degradation effect of ultraviolet visible spectrum3.3.3数据处理取466nm处的吸光度Ax，未降解过的样品吸光度A0，降解率可由以下公式13得出： （2）再用Origin做出样品的降解率随时间的变化图。图3 不同形貌二氧化钛对样品降解率随外加电压变化图Fig 3 different morphologies of titanium dioxide on the sample degradation ra

16、te increases as the applied voltage change chart3.2紫外可见分光光度计在研究ZnO光电催化性能上的应用15-16ZnO具有价格低廉、无毒、稳定、光催化性能高等特点，在降解染料方面得到了广泛的应用。虽然大量研究致力于提高ZnO的光催化性能的研究，但是将硅基ZnO纳米线阵列应用于光电催化研究，以下实验中选用罗丹明6G作为降解对象。罗丹明6G，又名玫瑰红6G，属于酚类化合物，对于人体及其他生物的毒性较大，在农业、染料、香料、橡胶、医药、感光材料等领域具有广泛的应用。利用紫外可见分光光度计，研究ZnO在光电的存在下的情况下，对罗丹明6G降解程度。测试结

17、果如下以不同层数的ZnO纳米线阵列为催化剂，光电催化降解罗丹明6G时，罗丹明6G的相对浓度随时间变化曲线。曲线a表明在不加样品情况下，实验条件对染料的影响。由图可知，在不加样品时，紫外光及灯管散热等实验外部条件对染料的降解影响非常小，几乎不发生降解。曲线b为单层ZnO纳米线阵列作为催化剂，罗丹明6G的相对浓度随时间变化曲线，由图可知，60 min时降解率达到57.8 %。曲线c为双层ZnO纳米线阵列作为催化剂，罗丹明6G的相对浓度随时间变化曲线，60 min时降解率达到81.8 %。曲线d为三层ZnO纳米线阵列作为催化剂，罗丹明6G的相对浓度随时间变化曲线，40 min时降解率即达到97 %。

18、通过一级动力学方程计算得到表观降解速率常数k，其中单层ZnO纳米线阵列的降解速率常数k为0.013min-1，双层ZnO纳米线阵列为0.023min-1，三层ZnO纳米线阵列为0.080min-1。三层ZnO纳米线阵列的表观降解速率常数为单层纳米线阵列的6.15倍，为双层纳米线阵列的3.48倍。ZnO纳米线阵列对罗丹明6G的降解速率随着ZnO纳米线阵列层数的增加而增加，主要是由于ZnO纳米线阵列层数增加使得ZnO纳米线阵列的表面积增加，从而使更多的染料吸附在纳米线阵列上，进而提高了降解速率。图4为罗丹明6G降解前后的对比图，降解后的溶液基本上没有颜色，罗丹明6G基本上降解完全。图4 以不同层数

19、的ZnO纳米线阵列为催化剂，罗丹明6G的相对浓度随时间变化曲线Fig. 4 in different layers of the ZnO nanowire arrays as catalyst, Luo Danming 6G relative concentration versus time curve4.总结与展望紫外可见分光光度法具有仪器价格低廉适用性广泛，尤其是采用微机控制以来，该技术得到了突飞猛进的发展。紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、快速、可靠的同时，小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光

20、光度计新的增长点11-12。紫外可见分光光度计作为一项产业，用户的需求是其发展的根本动力。参考文献1王大珩,胡柏顺.加速发展我国现代仪器事业,现代科学仪器,2000,(3):362金钦汉.分析仪器发展趋势展望,中国工程科学,2001,3(1):85883中华人民共和国国家计量技术规范(JJG 375-96单光束紫外一可见分光光度计检定规程)4胡文杰紫外一可见分光光度计的应用与维修【J】，分析测试技术与仪器，2005，1(11)：75785林秀云75 l G型紫外可见分光光度计常见光源故障的调修【J】，计量与测试技术2007，2(30)：28306韩明艳751分光光度计常见故障分析及维护【J】，黑龙江冶金2006，2：42437杨禹哲，丁勤紫外一可见分光光度计透射比准确度对测量结果影响的探讨【J】，现代测量与实验室管理2007，3：418王国田756型分光光度计光学系统故障分析与排除叨，分析仪器2007。3：64669汪正范等紫外可见分光光度计的市场分析及前景展望叨，2006，1：69-7010李昌厚仪器学理论与实践【M】北京：科学出版社，200811王大珩，胡柏顺加速发展我国现代仪器事业们，现代科学仪器，2000，(3)：3612金钦汉分析仪器发展趋势展望叨，中国工程科学，2001，3(1)：1-8813 Xie Quan , Shaogui Yang ,Xiul