光催化降解甲基橙试验报告

1、光催化降解甲基橙实验报告光催化降解染料甲基橙一、目的要求1、掌握确定反应级数的原理和方法；2、测定甲基橙光催化降解反应速率常数和半衰期；3、了解可见光分光光度计的构造、工作原 理、掌握分光光度计的使用方法。二、实验原理光催化始于1972年，Fujishima 和Honda 发现光照的TiO单晶电极能分解水，引起人 们对光诱导2氧化还原反应的兴趣，由此推 动了有机物和无机物光氧化还原反应的研 究。1976年，Cary等报道，在近紫外光照射下， 曝气悬浮液，浓度为 50(1 g/L的多氯联苯 经半小时的光反应，多氯联苯脱氯，这个特 性引起了环境研究工作者的极大兴趣，光催化消除污染物的亚牛日趋活跃。

2、国内外大量研究表明，光催化法能有效地将烧类、卤代 有机物、表面活性剂、染料、农药、酚类、 芳烧类等有机污染物降解，最终无机化为 CO2 H2O ,而污染物中含有的卤原子、硫 原子、磷原子和氮原子等则分别转化为 X-, SO42- , PO43- , PO43- , NH4+, NO3-等 离子。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2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。光催化以半导体如 TiO , Z

3、nO, CdS, FeO, 322 WQ SnO, ZnS , SrTiO , CdSe , CdTe , InO ,32323 FeSGaAs , GaP, Si , MoS、夕 作催化剂，其中TiO 222,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，帮TiO是目前广泛研究、效果较 2 好的光催化剂。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TiO 的禁带宽度为3.2eV ,半导体的光吸2收阈 值入g与禁带宽度Eg的关

4、系为 入（nm） =1240/Eg（eV）g当用能量等于或大于禁带宽度的光（入 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+）, 形成光生电子-的光生空穴（h空穴对。空 穴的能3量（TiO ）为7.5 eV ,具有强氧化性；电 子则具有强2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+ - N + energy （hve + h hv or heat）第二类是发生一系列光催化氧化还原

5、反应， 还原和氧化吸附在光催化剂表面上物质。+ + hTiO fe2+ - - OHOH + h + + OH+HHO + h -2+-AA + h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：+-+ f OOH+ H+H - - OO+ e 222HOO- f O+ HO 22 2- +O fO OH + OHHO+- 22 22- +- H . OO+ 2H 222 止匕外 OH, OOH和HO之间可以相互转化22HO+ - OH- - OOH + HO 22 22 4无选择性地将.OH利用高度活性的羟基自 由基氧化包括生物难以降解的

6、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。四基橙染料是一 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 所示：四基橙的分子式如图 1催化反 应的模型反应物。.图1甲基橙分子结构从结构上看，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、仪器试剂722型分光光度计1台；125W高压汞灯1 支；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；

7、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； 离心管7支。甲基橙贮备液(1000mg/L );纳米TiO2(P25 )。四、实验步骤51、了解可见光分光光度计的原理与使用方 法，参阅有关教材及文献资料。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，加入参比溶液蒸储水，擦干外表面(光学玻璃面应用擦镜纸擦拭），放入比色槽中，确 保放蒸储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

8、%。3、四基橙光催化降解进行光催化反应实验时， 首先向反应器内加 入10mL的1000 mg/L 的甲基橙贮备液， 并力口 480mL水稀释，配成 500mL的20 mg/L的甲基橙溶液，然后加入 0.2g纳米 TiO2催化剂，磁力搅拌使之悬浮。避光充 空气搅拌30min，使甲基橙在催化剂的表面 达到吸附/脱附平衡，移取10mL溶液于离 心管内。然后开通冷却水，并开启淘汰进行 光催化反应25min ,每隔5min移取10mL 反应液，经离心分离后，取上清液进行可见 分光光度法分析。采用722型可见分光光度 计，通过反应液的吸光度 A测定来监测甲基 橙的光催化脱色和分解效果。在020mg/L范围

9、内，甲基橙6溶液浓度与其462nm处的吸收什呈极显著 的正相关(相关系数达 0.999以上)。五、数据处理1、设计实验数据表，记录温度。 A, A等 数据；。实验温度：29.2 C)(1/AAT 1/Aln A t /min A 0 0 -0.8742 0.41720.000 0.0000 2.3975 0.795 0.3317 1.602 0.6242-0.471310 1.371 1.026 0.5720 0.9747-0.025715 1.880 0.7843 0.517 1.93420.659720 2.092 0.8728 3.2787 0.3051.187425 2.222 0.9

10、270 5.7143 1.74300.17530 2.353 0.9816 0.04422.7273 3.1236表1实验数据表2、采用积分法中的作图法由实验数据确定 反应级数。根据本实验的原理部分知道，该反应是一个 表面催化反应，而一般表面催化反应更多的 是零级反应；不妨设纳米Ti0 2光催化降解甲基橙的反应是 一级反应：即ln(1/A)= kt +常数 i显然，以浓度ln(1/A) 对时间t作图7图2 ln(1/A)t 图关系成一直线，t 25min中时在据图2 可知，01n(i/A)Ti0 因此符合假设，即纳米 2 光催化降解甲基橙的反应是一级反应。k 、 由所得直线的斜率求出反应的速率

11、常数3i-i。根据图2可知：反应的速率常数 k=0.1071min i。计算甲基橙光催化降解 的半衰期 t4、1/2 =6.47min t=1n2/k 甲基橙光催化降解的半衰期11/2为-c (c)/c ,其中c=5、甲基橙降解率计算：刀000为降 解后的浓度。由于甲基c光照前降解液浓度， 橙溶液浓度和它的吸光度呈线性关系，所以降解脱，其)/A-A色率又可以由吸光度计算，即Y = （A00为光照前降解液吸光度，中AA为降解后吸光度。0关系如图的所示,Y甲基橙的降解率，如表 1t所示。38图图3 t六、讨论与分析为TiO的甲基橙溶液，0.2 克纳米600mL 40 mg/L2一中内可以最30mi

12、n催化剂，在高压汞灯光照条件下，。 98.16%大降解率约该实验中采用积分法中的作图法由实验数 据确定反、2是因为数据偏差较的数据，30min应级数时，舍去了悬浮在溶液TiO大，可能是因为离心后依然有部分2TiO中,而最后一组的吸光度应该很低，所以微量2的线性相关最后得到t也会影响测定的准 确性。in（i/A）30在前Ti099.29% 度为，线性相关度好；说明纳米29分钟搅拌充分，甲基橙在催化剂达到吸附/脱附平衡，且光照反应、取样、离心等操作 到位，数据相关性较好。ri 30min中内可以最大降解率约 98.16% , 且图可知t3 ,由降解数度在约10分钟前降解率和 时间几乎呈现线性关系，在之后的反应中降 解率的变化变慢，降解速率下降，渐渐趋向 平缓，越接近100%速率越低。七、思考题1、实验中，为什么用蒸储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？答：用蒸储水作参比溶液来调节分光光度计 的透光率值为100%,以消除溶液中的水对 光的吸收反射或散射造成的误差。一般选择参比溶液的原则：当试样溶液、显色剂及所用的其它试剂在测定波长处均 无吸收时，可选用蒸储水作参比液；若有显 色剂或其它试剂对入射光有吸收，应选用试 剂空白为参比；若试样中其它组