复合TiO2光催化材料中降解罗丹明B性能检测方案(紫外分光光度计)

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SSL-CA22-061Excellence in Science Excellence in SciencePQY-001 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD. -Analytical Applications CenterEmail： sshzyan@shimadzu.com.cnTel：86(21)34193996http：//www.shimadzu.com.cn 光反应评价系统 Lightway PQY-01测试复合TiO，光催化材料降解罗丹明B的性能 PQY-001 摘要：本文使用岛津光反应评价系统 Lightway PQY-01测试复合 TiOz光催化材料降解罗丹明B的性能。采用365 nm LED光源进行照射，仪器自动定时测定不同时间的吸收光谱，并统计光催化过程的光子数，为掌握TiO，材料的光催化性能及机理研究提供数据支撑。 关键词：光催化二氧化钛 罗丹明B光子数 光催化是在光照及光催化剂存在条件下发生的氧化还原反应，可用于污染物降解、物质合合和转化等，具有反应条件温和，设备要求低，节能环保等优点，应用前景十分广阔。 通常，光催化剂大都是半导体材料，其中研究得最多的是 TiO，材料。TiO， 在能量大于其禁带宽度的光照射时，表面会被激活敏化，形成电子-空穴对，并与吸附在其表面的H，O、0，和OH等反应，生成具有强氧化性的羟基自由基和氧自由基等，可将有机物分解成 CO、H，O和无机离子等小分子，达到降解污染物的目的。罗丹明B是一种偶氮类有机染料，分子结构复杂，毒性大，自然降解困难，而光催化是降解此类污染物十分有效的手段。 实验部分 1.1仪器 光催化研究中，重点关注的指标是光催化剂的禁带宽度、光的利用率及催化转化效率。其中，光的利用率需要掌握反应过程中吸收的光子数，以此计算光反应量子产率。通常的做法是使用化学光度计，通过吸光度的改变量来计算吸收的光子数，过程繁琐且耗时长。因此，我们需要一种能快速和自动计算光子数的设备。岛津光反应评价系统 Lightway PQY-01是一台能自动计算吸收光子数的紫外-可见分光光度计，可快速跟踪反应过程中吸光度的变化，并准确测定吸收的光子数，极大缩短实验时间。 本文使用 Lightway PQY-01 建立研究复合型 TiO光催化材料降解罗丹明B的方法，具有操作简单、分析速度快和智能化程度高等优点。 光反应评价系统 Lightway PQY-01 图1 光反应评价系统 Lightway PQY-01 仪器特点： ①会自动计算吸收光子数的紫外-可见分光光度计； ②可用于光反应量子产率计算； ③PDA检测器，，可快速追踪化学反应，250~800nm 光谱最短采集时间为 0.1s； ④可设定采样时间自动完成样品照射和光谱扫描，无需将样品取出； ⑤具有光反应测定、光谱测量和光度定量功能。 实验部分 2.1实验材料 (1)光催化剂：复合TiO，材料，平均粒径约5nm， 禁带宽度为 3.0eV。 (2)光催化降解对象：罗丹明B，一种偶氮类有机染料。 2.2测试方法和条件 配制质量分数为千分之一的复合 TiO，材料水溶液，考察不同反应时间下 TiO，光催化特定浓度罗丹明B降解的过程。 本次测试条件如下表1所示。 表1 Lightway PQY-01测试条件 仪器参数 设定值 仪器参数 设定值 激发光源波长 365 nm 搅拌功能 启用 时间间隔 20s 扫描时间 20 min 2.3结果与讨论 (1)罗丹明B的吸收光谱 对罗丹明B进行测试，其吸收光谱见下图2所示。从图上可看到，罗丹明B的最大吸收波长为入max=553nmo 图2 罗丹明B溶液吸收光谱图 (2)复合型 TiO，光催化罗丹明B降解反应性能 使用 Lightway PQY-01 考察 100 mg/L 复合型 TiOz 光催化剂对 10 mg/L 罗丹明B的降解情况。不同光照时间下的吸收光谱变化如下图3所示。在365 nm 光照条件下，添加和未添加光催化剂时， 入=553 nm 处的吸光度随时间变化见图4. 图3 不同光催化时间下罗丹明B吸收光谱变化 图4 罗丹明B溶溶吸光度(入=553m)随时间变化图 从图3和图4可看到，添加 TiO，光催化剂后，随着反应时间的增加，罗丹明B溶液在553 nm处的吸光度逐渐减小，在10 min 时降到最低，随后基本保持不变。而没有添加光催化剂的溶液，在365nm光照下，其吸光度随时间几乎没有变化。这表明在365 nm 紫外光照射和光催化剂作用下，罗丹明B发生了光降解反应。 下图5可观察到不同催化时间下罗丹明B溶液液颜色从深粉色逐渐变成无色透明。 图5 不同催化时间下罗丹明B溶液颜色变化图 根据以下公式计算罗丹明B的光催化降解率，不同时间的催化降解率见图6所示。从图上可看到，反应10min 罗丹明B的降解率可达96%以上。 式中，D一光降解率，%；A一反应物初始吸光度；A一反应一定时间后的吸光度。 图6 复合 TiOz光催化降解罗丹明B的降解率图 (3)光催化反应的光子数计算 通过计算光催化过程吸收的光子数，可计算光反应的量子产率。Lightway PQY-01可自动计算每个光反应时刻的照射光子数和吸收光子数，为深入了解光催化机理提供信息。本次实验中，仪器照射和反应体系吸收的光子数统计如下表2所示。 表2 光催化反应过程光子数计算 反应时间 添加 TiO，光催化剂 未添加 TiO，光催化剂 射光子数 吸收光子数 光子吸收率 照射光子数 吸收光子数 光子吸收率 (min) (×1018个) (×1018个) (%) (×1018个) (×108个) (%) 1 1.84 0.77 41.8 1.83 1.22 6.67 2 3.69 1.54 41.7 3.66 2.44 6.67 3 5.53 2.32 42.0 5.49 3.73 6.79 4 7.37 3.12 42.3 7.32 5.01 6.84 5 9.21 3.92 42.6 9.15 6.24 6.82 6 11.1 4.72 42.5 11.0 7.48 6.80 17 12.9 5.51 42.7 12.8 8.76 6.84 8 14.7 6.31 42.9 14.6 10.0 6.85 9 16.6 7.10 42.8 16.5 11.3 6.85 10 18.4 7.88 42.8 18.3 12.5 6.83 11 20.3 8.67 42.7 20.1 13.8 6.87 12 22.1 9.45 42.8 22.0 15.1 6.86 13 24.0 10.2 42.5 23.8 16.4 6.89 14 25.8 11.0 42.6 25.6 17.6 6.88 15 27.6 11.8 42.8 27.4 18.7 6.82 16 29.5 12.6 42.7 29.3 19.8 6.76 17 31.3 13.3 42.5 31.1 21.0 6.75 18 33.2 14.1 42.4 32.9 22.1 6.72 19 35.0 14.9 42.6 34.8 23.2 6.67 20 36.9 15.6 42.3 36.6 24.3 6.64 注：光子吸收率(%)=吸收光子数/照射光子数×100%。 从上表2可看到，添加光催化剂前后，照射的光子数基本相同，但添加了催化剂的反应体系，其平均光子吸收率为42.5%，而未添加催化剂的平均光子吸收率仅为 6.79%。表明添加 TiO，光催化剂后，材料有效吸收了光来进行表面活化，进而实现对罗丹明B的催化降解。 提高单位质量光催化剂的光子吸收率，可提高催化反应效率，通过计算光子吸收率可为光催化剂的研究提供理论依据。此外，还可根据光子数计算产物的光反应量子产率。 (4))照光催化反应动力学 根据文献报告，在一定条件下，TiO，光催化罗丹明B的降解反应为一级反应，其反应速率常数符合以下公式： 式中，C一反应时间t后的反应物浓度；Co一反应物的初始浓度，t一反应时间；k一反应速率常数。 光催化剂的添加量一定，初始浓度分别为 5 mg/L、10 mg/L 和 20 mg/L 的罗丹明B其吸光度随时间变化如下图7所示。 图77不同罗丹明B起始浓度吸光度随时间变化图 以反应时间t为横坐标， -ln (C./C)为纵坐标绘制反应 3 min 内的一次方程曲线(下图8所示)，曲线斜率即为反应速率常数。通过作图可知，罗丹明B起始浓度为 5 mg/L、10 mg/L和20mg/L时，其反应速率常数分别为 0.0068 s、0.0050 s 和0.0025 s 。 图8 不同罗丹明B起始浓度的光催化反应速率曲线 结论 随着研究不断深入和技术的成熟，光催化将在未来的污染物降解、光反应物质合成和转化等方面发挥重要作用。光催化剂是光催化反应的核心，合成性能优异，使用范围广，催化效率高的光催化剂是研究者不断努力的方向。 Lightway PQY-01为光反应评价而生，可进行反应实时追踪，统计吸收的光子数并计算光反应量子产率，为研究光催化提供重要理论依据。 岛津应用云 随着研究不断深入和技术的成熟，光催化将在未来的污染物降解、光反应物质合成和转化等方面发挥重要作用。光催化剂是光催化反应的核心，合成性能优异，使用范围广，催化效率高的光催化剂是研究者不断努力的方向。Lightway PQY-01为光反应评价而生，可进行反应实时追踪，统计吸收的光子数并计算光反应量子产率，为研究光催化提供重要理论依据。