催化 二氧化鈦實驗

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1、催化實驗2納米二氧化鈦光催化性能研究一、實驗?zāi)康?.了解納米光催化材料的性質(zhì)；2.確定納米二氧化鈦光催化降解羅丹明B水溶液的反應(yīng)速率常數(shù)；3.了解光催化劑催化性能評價的一般方法。二、實驗原理納米粉體是指顆粒粒徑介于1～100nm之間的粒子。由于顆粒尺寸的微細化，使得納米粉體在保持原物質(zhì)化學性質(zhì)的同時，與塊狀材料相比，在磁性、光吸收、熱阻、化學活性、催化和熔點等方面表現(xiàn)出奇異的性能。納米TiO2具有許多獨特的性質(zhì)。比表面積大，表面張力大，熔點低，磁性強，光吸收性能好，特別是吸收紫外線的能力強，表面活性大，熱導(dǎo)性能好，分散性好等。自1972年Fujishima等發(fā)

2、現(xiàn)TiO2電極在光照下分解水的功能以來，有關(guān)二氧化鈦等半導(dǎo)體光催化劑的研究成為能源開發(fā)和環(huán)境科學領(lǐng)域的熱點。利用TiO2粉末對各種有機污染物以及工業(yè)廢水中的有毒物質(zhì)進行處理的研究發(fā)現(xiàn)，TiO2不僅能降解、完全礦化絕大部分有機物，還能殺死微生物，甚至能還原溶液中的有毒金屬離子。一般認為二氧化鈦的禁帶寬度為3.0~3.2eV，在紫外光區(qū)才有吸收，只能利用太陽光的5%左右，對室內(nèi)可見光的利用率就更低，低的光量子力效率是限制二氧化鈦光催化實際應(yīng)用的主要原因?，F(xiàn)在普遍認為，半導(dǎo)體受光激發(fā)后會產(chǎn)生電子和空穴。TiO2受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，價帶中的電子就會被激發(fā)

3、到導(dǎo)帶，產(chǎn)生高活性電子e-和空穴h+，電子具有還原性，空穴具有氧化性，空穴與TiO2表面的OH-反應(yīng)生成氧化性很高的·OH自由基，激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價帶空穴也可以重新復(fù)合，使光能以熱或其他形式散發(fā)掉。TiO2+hν→e-+h+(1)e-+h+→熱量(2)4一般而言，TiO2的光催化離不開空氣和水溶液，這是因為水分子或氧氣分子與光生電子或空穴結(jié)合可產(chǎn)生化學性質(zhì)極為活潑的自由基，其反應(yīng)歷程如下：h++H2O→·OH+H+(3)h++OH-→·OH(4)電子(e-)與表面吸附的氧分子反應(yīng)歷程：O2+e-→·O2-(5)·O2-+H2O→·OOH+OH-(6)2·OO

4、H→O2+H2O2(7)·OOH+H2O+e-→H2O2+OH-(8)H2O2+e-→·OH+OH-(9)H2O2+·O2-→·OH+OH-(10)在上面的式子中，活潑的羥基自由基(·OH)以及超氧離子自由基(·O2-)，都是氧化性很強的活潑自由基，能夠?qū)⒏鞣N有機物直接氧化為CO2、H2O等無機小分子。因為它們的氧化能力強，氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。納米TiO2作光催化劑，其活性比普通TiO2(約10μm)高得多。為考查光催化劑對染料化合物的光催化降解能力，選用羅丹明B——一種常見的堿性染料——作為目標反應(yīng)物進行光催化脫色反應(yīng)。羅丹明B溶液

5、在553nm處有最大吸收峰，可以在波長為553nm處測量羅丹明B溶液的吸光度，用反應(yīng)前后溶液的吸光度變化率來表示催化劑的光催化活性。而催化劑對目標反應(yīng)物的吸附也會導(dǎo)致濃度變化，所以，將催化劑對羅丹明B溶液暗態(tài)吸附1h后的吸光度，計為羅丹明B光催化脫色反應(yīng)的初始濃度，故測量光照射前后吸光度的變化，以下式表示催化劑的光催化活性:Activity(％)＝×100％(11)式中A0是充分混合(暗態(tài))待催化劑吸附達平衡后羅丹明B溶液的吸光度，A是光照后溶液的吸光度。反應(yīng)液的吸光度數(shù)據(jù)ln(A0/A)與時間t有很好的線性關(guān)系，表明在該光催化劑條件下，羅丹明B的光催化脫色反

6、應(yīng)呈現(xiàn)出一級反應(yīng)動力學的規(guī)律。測定反應(yīng)系統(tǒng)在不同時刻的濃度，分析其與時間t的相關(guān)性，4可以確定在該條件下反應(yīng)的動力學規(guī)律，求出反應(yīng)速率常數(shù)。若得到不同溫度時的反應(yīng)速率常數(shù)，即可求出該反應(yīng)的表觀活化能。朗伯－比耳定律：A＝εlc（12）A為溶液的吸光度；l為比色皿光徑長度；ε為吸收系數(shù)；c為羅丹明B溶液的濃度。一級反應(yīng)速率常數(shù)k：lnA＝lnA0－kt（13）用lnA對t作圖應(yīng)為一直線，由其斜率線可求速率常數(shù)k。半衰期：t1/2＝ln2/k（14）三、儀器與藥品分光光度計，離心機，電動攪拌器，光催化反應(yīng)器(自制)，鹵鎢燈（220V500W）羅丹明B，納米二氧化鈦

7、P25（德國Degussa公司產(chǎn)品）。四、實驗步驟1.取羅丹明B水溶液(5mg/L)100mL置于光催化反應(yīng)器(自制)中，加入0.1gP25，避光，開啟冷凝水，攪拌（實驗老師已經(jīng)負責加入）。2.半小時后，取3mL反應(yīng)液，離心分離，測上層清液的吸光度A0。3.再過20分鐘，取3mL反應(yīng)液，離心分離，測上層清液的吸光度A0，將其與第2步測定的吸光度進行比較，判斷羅丹明B在催化劑上是否達到吸附平衡。4.確認羅丹明B在催化劑上達到吸附平衡后，打開鹵鎢燈，每隔15min取樣3mL反應(yīng)液（開燈后總共取4組樣品），離心分離，取上層清液用分光光度法測定其吸光度A。5.實驗完畢

8、，關(guān)閉鹵鎢燈，停止攪拌，清洗反應(yīng)器，將