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二氧化钛的光催化降解技术物理实验报告
纳米二氧化钛光催化性能的研究 实验结果的记录与处理: 由图知k= 则t1/2=In2/k= 实验二TiO2光催化降解甲基橙性能研究 一、目的要求 1、掌握确定反应级数的方法; 2、测定甲基橙光催化降解反应速率常数和半衰期;3、了解光催化反应仪的以及可见分光光度计的使用方法。二、基本原理 1972年Fujishima和Honda发现光照的TiO2单晶电极能分解水,推动了有机物和无机物光氧化还原反应的研究。1976年,Cary在近紫外光的照射下用二氧化钛的悬浊液可使多氯联苯脱氯,光催化反应逐渐成为人们关注的热点之一。 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为相对环境友好的CO2,H2O等无机化,污染物中的X ?-??原子、S原子、P原子和N原子等则分别转化为X?,,PO3NO3-SO2NH?44,4, 等无机离子。光催化法具有能够彻底消除有机污染物,无二次污染,且可在常温常压下进行等优点,因此在消除污染物的研究领域日趋活跃。 光催化通常以半导体如TiO2,ZnO,CdS,Fe2O3,WO3,SnO2,ZnS, SrTiO3,CdSe,CdTe,In2O3,FeS2,GaAs,GaP,SiC,MoS2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,是目前广泛研究、效果较好的光催化剂。目前,纳米TiO2的制备技术及在水和气相有机、无机污染物的光催化去除等研究取得很大进展,是极具前途的环境污染深度净化技术,在环境保护领域受到广泛关注。 半导体自身的光电特性决定其催化剂特性。半导体含有能带结构,一般是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成,中间隔着禁带。当半导体价带上的电子吸收光能被激发到导带,在导带上产生带负电的高活性光生电子,在价带上留下空穴产生带正电的光生空穴,形成光生电子-空穴对,研究证明,当pH=1时用能量等于或大于禁带宽度的光 照射锐钛矿型TiO2半导体光催化剂时,空穴的能量为,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 e??h??N?energy 第二类是电子和空穴在移动到表面后,分别和表面物质反应生成高活性的氧化自由基。主要的一些反应如下: TiO2?e??h? OH??h???OH H2O?h???OH+H? O2?e??H???O2+H???OOH 2HOO??O2?H2O2 H2O2+?O2?OH?OH-?O2 ? ?O??2H?H2O2 2 此外?OH,?OOH和H2O2之间可以相互转化 H2O2??OH??OOH+H2O2 有机物即使是生物也难以降解的各种有机物,在光催化体系中利用高度活性的羟基自由基?OH反应,被无选择性地氧化成无机化合物。无机化合物? 甲基橙染料无挥发性,是一种工业上常见的偶氮类染料。其分子式如图所示: 实验证明甲基橙是较难降解的有机污染物,具有相当高的抗直接光分解和氧 图1甲基橙分子结构因而常被用做光催化反化的能力;且其浓度可采用分光光度法测定,方法简便, 应的模型反应物。 光化学反应仪器三、仪器试剂 722型分光光度计300W高压汞灯光催化反应器充气泵恒温水浴磁力搅拌器离心机台秤秒表10mL移液管20mL移液管500mL量筒吸耳球离心管甲基橙贮备液纳米TiO2 图2实验装置图 1台1支1个1套1台1台1台1块1支1支1支1个7支 光源冷却水循环装置 1个 四、实验步骤 1、配置20mg/L甲基橙溶液。 向500ml的容量瓶中加入10mL的1000mg/L的甲基橙贮备液,用水稀释至刻度,配成20mg/L的甲基橙溶液。 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,加入参比溶液蒸馏水,擦干外表面,放入比色槽中,确保放蒸馏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%。 3、甲基橙光催化降解 每次取的催化剂放入光催化反应器,并加入50ml的20mg/L甲基橙水溶液,含催化剂的甲基橙水溶液首先在暗处预吸附30min,使甲基橙在催化剂的表面达到吸附/脱附平衡。 打开光反应仪器的光源,选取300W高压汞灯,波长设置为254nm。在磁力搅拌下,每隔5min取约5ml溶液,
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