光催化降解甲基橙

N-TiO2的制备及可见光降解有机污染物的测定

一、目的要求

1、N掺杂TiO2光催化剂的简易液溶液制备；

2、测定甲基橙在可见光作用下的光催化降解反应速率常数；

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

国内外大量研究表明，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，最终无机化为CO2, H2O。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TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3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。TiO2是目前广泛研究、效果较好的光催化剂之一。

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TiO2的禁带宽度为，半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg的关系为

（nm）=1240/E g(eV)

当用能量等于或大于禁带宽度的光（λ<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的光生空穴（h+）,形成光生电子-空穴对。空穴具有强氧化性；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。

第二类是发生一系列光催化氧化还原反应，还原和氧化吸附在光催化剂表面上物质。

TiO2→e-+h+

OH-+h+→·OH

H2O+h+→·OH+H+

A+h+→·A

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：

O2+e-+H+→·O2-+H+→·OOH

2HOO·→O2+H2O2

H2O2+·O2→OH+OH-+O2

·O2-+2H+→H2O2

此外·OH,·OOH和H2O2之间可以相互转化

H2O2+·OH→·OOH+H2O2

利用高度活性的羟基自由基.OH无选择性地将氧化包括生物难以降解的各种有机物并

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。

甲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，常被用做光催化反应的模型反应物。四

基橙的分子式如图1所示：

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

磁力搅拌器2台，抽滤装置一套，烘箱一台，高温炉一台，电子天平一台，秒表一个，移液

枪一支，722型可见光分光光度计1台；可见光氙灯灯源1台(附420nm滤波片)；培养皿两套；

甲基橙贮备液（15 mg/L），钛酸丁酯一瓶，氨水一瓶，蒸留水，

四、实验步骤

(1) N-TiO2光催化剂的制备

配制质量浓度为1%的氨水溶液100 ml，在强力搅拌下，向以上氨水溶液中加入钛酸正丁酯8 ml，继续搅拌 1 h，过滤，洗涤，在100o C下干燥10 min。在500o C下处理2 h，得到N-TiO2。

(2) 光催化活性测试

取甲基橙溶液10 ml（15 mg L-1）分装在两个表面皿中，并分别加入 g N-TiO2光催化剂，静置10min，以使固液两相达到吸附平衡，然后经离心分离，取上层

清液测试其浓度。然后将样品置于可见光氙灯下光照。每隔 2 min，取样 4 ml （此时关掉光源），用离心机离心，然后再用可见分光光度计测试甲基橙溶液波

长为462nm处的吸收，并记录实验数据。

五、数据记录与处理

1、设计实验数据表，记录温度。甲基橙初始的吸光度A0=。

表——1

1#：在无光催化剂作用下，甲基橙在光照下的情况

2#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在无光照下的情况

3#：在N-TiO2光催化作用下，甲基橙在光照下的情况

反应时间/min020*********

1# (吸光度/A)

1# Ln (C0/C)

2# (吸光度/A)

2# Ln (C0/C)

3# (吸光度/A)

3# Ln (C0/C)

4#(吸光度/A)

4#Ln（Co/C）

纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应：即ln (C0/C) = k t

显然，以浓度ln (C0/C)对时间t作图：

图1 (1#)

反应时间/min020*********

1# (吸光度/A) 1.620 1.608 1.608 1.606 1.608 1.611 1# Ln (C0/C)-0.00743

2# (吸光度/A) 1.588 1.664 1.617 1.604 1.601 1.595 2# Ln (C0/C)

3# (吸光度/A) 1.734 1.667 1.696 1.644 1.608 1.584 3# Ln (C0/C)

4#(吸光度/A) 1.659 1.548 1.484 1.435 1.384 1.358 4#Ln（Co/C）

由所得直线的斜率, 求出甲基橙降解的速率常数k(TiO2) =

由所得直线的斜率, 求出甲基橙降解的速率常数k(N-TiO2) =

据图3可知，在0—min中时ln (C0/C)~t关系成一直线，因此符合假设，即N-Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应。N-TiO2光催化剂在可见光作用下能有效地降解有机染