二氧化钛光催化降解有机污染物的实验设计

王 岩

(河南大学 a.化学化工学院; b.科研处, 河南 开封 475001)

二氧化钛光催化降解有机污染物的实验设计

王 岩a,b

(河南大学 a.化学化工学院; b.科研处, 河南 开封 475001)

许多高校设有创新实验室和开放实验室，用来提高学习成绩优异、对科研具有浓厚兴趣的本科生的科研创新能力和实践动手能力，为他们进一步从事科研工作打下良好的基础。但是，相关实验课题的探索和建立，师资队伍的建设等面临着诸多问题。必须开设一些创新性和动手性较强的实验课题才能更好地培养学生的科研素养，提高本科生的培养质量。文中选取部分科研成果为素材，经过实验验证，转化为具有可行性的开放性实验课题，培养了学生的实际动手操作能力、创新能力、科研能力、分析和解决问题的能力。

开放实验；科研素养；实验课题；先进科研成果

近几年来，开放性实验成为高校本科实验教学改革的一项重要成果[1]。河南大学基础化学实验教学中心在开放性实验平台建设方面做了大量工作，主要集中于开放性实验室的建立、管理制度的完善和开放性实验的教学实践等方面。但是，开放性实验室的运行还面临着缺少优质开放性实验项目的问题。将先进科研成果转化为开放性实验项目具有明显的现实意义，而这方面的研究目前还较少[2]。本文选取河南大学部分前沿性较强、具有可行性的科研成果转化为开放性实验项目，可以供时间充裕、能力较强的学生自主选择，在相关开放性实验室由学生自主设计实验方案，在教师的指导下独立完成实验、写出实验报告，从而提高学生的创新能力、独立分析问题和解决问题能力，培养具有一定科研素养的高素质人才。

1 选取的素材

环境污染和能源短缺是全世界面临的重大挑战，也是我国实施可持续发展战略需要优先考虑的重要课题。有毒难降解有机污染物(如农药、染料、苯系化合物、卤代物等)引起的环境问题已经成为影响人类生存与健康的重大问题。这类污染物结构稳定、毒性大、浓度低，用现有的环保技术很难处理。因此研究新的有效控制有毒难降解有机污染物的方法已成为国际上十分关注的棘手课题。河南省有毒有机物的污染尤其严重，控制有毒有机污染物是河南省亟待解决的问题之一。

通过光催化的方法，充分利用廉价并且“绿色”的太阳光，来有效降解有毒有机污染物，是解决目前全球性环境恶化危机的一个重要途径。光催化可以直接利用取之不尽、用之不竭的太阳光降解、矿化水体和空气中的有害污染物，在环境净化方面具有巨大的潜力。以半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术，其具有可以直接利用太阳光、室温下反应、可以把绝大部分有机污染物降解矿化且无二次污染等特性。二氧化钛是一种在紫外光照射下具有光催化活性的重要金属氧化物光催化剂，在环境净化、太阳能转换等方面具有广泛的应用。一些基于二氧化钛的光催化技术已经在环保领域得到应用，已经有光催化空气净化器、自清洁光催化陶瓷砖和光催化环保型涂料等商业化的产品。

本文选取的素材主要是河南大学特种功能材料教育部重点实验室近几年发表的一些学术论文[3-10]。通过巧妙的实验设计，把这些常规基础实验涉及较少的科学前沿知识融合到开放性实验项目当中，既开拓了学生们的视野，又能训练他们的科研思维，增加实验过程的挑战性和创新性，使得整个实验过程充满科学探究的乐趣。

2 实验方案设计

通过对上述文献的精心梳理，本文设计了一个开放性实验项目——二氧化钛光催化剂的制备及其光催化降解亚甲基蓝的比色测定。

2.1 实验目的

1)了解二氧化钛光催化的原理。

2)了解分光光度法的基本原理和方法。

3)掌握溶胶凝胶法制备二氧化钛的原理和方法。

4)掌握用紫外可见分光光度法测定亚甲基蓝浓度的方法。

2.2 实验原理

二氧化钛是一种半导体材料，即在价带(valence band，VB)和导带(conduction band，CB)之间存在一个禁带(forbidden band or band gap)。金红石相和锐钛矿相二氧化钛的禁带宽度(Eg)分别为3.0 eV和3.2 eV。根据光吸收阈值与带隙之间的关系式λ= 1 240 /Eg(eV)可知，二氧化钛的吸收波长阈值在紫外区域。当紫外光照射二氧化钛时，如图1所示，二氧化钛的价带电子从价带跃迁到导带，价带上产生空穴，从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)对：

TiO2+hν → e-+ h+

部分光生电子空穴对在体相内或半导体表面复合湮灭。与此同时，部分光生电子与二氧化钛表面

图1 二氧化钛光催化原理

吸附的氧分子发生反应生成超氧负离子，最终，生成强氧化性的羟基自由基：

O2+ e-→ ·O2-

·O2-+ H2O → ·OOH +OH-

2·OOH→ O2+ H2O2

·OOH + H2O + e-→ H2O2+ OH-

H2O2+ e-→ ·OH + OH-

光生空穴具有很高的反应活性，与表面吸附的水分子、OH-形成具有强氧化性的羟基自由基：

h++ H2O → ·OH + H+

h++ OH-→ ·OH

超氧负离子和羟基自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化为CO2和H2O，从而达到去除污染物的目的。

朗伯定律说明光的吸收与吸收层厚度成正比，比耳定律说明光的吸收与溶液浓度成正比；如果同时考虑吸收层厚度和溶液浓度对光吸收率的影响，即得朗伯-比耳定律，即

A=εbc

式中：A为吸光度；ε为摩尔吸光系数；b为液池厚度；c为溶液浓度。利用该式可以对溶液进行定性和定量分析。利用此法可以比较亚甲基蓝光催化反应前后的浓度变化。亚甲基蓝溶液的最大吸收波长在662 nm处，测定其吸光度时，调整吸收波长到660 nm。

2.3 试剂和仪器

2)仪器。100 mL小烧杯；25 mL容量瓶；磁力搅拌器；磁子；黑光灯(8 W)；723E紫外可见分光光度计；比色皿；离心机；烘箱；马弗炉。

2.4 实验内容

1)TiO2光催化剂的制备

2)亚甲基蓝溶液最大吸收波长的确定

在分光光度计上，用蒸馏水做参比溶液，在分光光度计上用l cm比色皿测定10 mg/L亚甲基蓝溶液在400 ～ 800 nm波长区间的吸光度，每隔20 nm测定一次吸光度。以波长为横坐标，吸光度为纵坐标绘制出吸收曲线，从吸收曲线上确定亚甲基蓝的最大吸收波长(约为660 nm)。

3)亚甲基蓝溶液标准曲线的绘制

分别准确吸取10 mg/L亚甲基蓝溶液5 mL、10 mL、15 mL、20 mL加入到25 mL容量瓶，加蒸馏水稀释到刻度。在分光光度计上用l cm比色皿，在最大吸收波长(660 nm)处以水为参比测定各溶液的吸光度，以含亚甲基蓝溶液浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。实验结果如表1所示。

表1 亚甲基蓝的浓度C与吸光度A的关系

以染料浓度C为横坐标，吸光度值A为纵坐标，做亚甲基蓝的标准工作曲线，如图2所示。

图2 亚甲基蓝的浓度—吸光度标准曲线

从图2可知，在给定的浓度范围内，亚甲基蓝溶液的浓度与吸光度成正比例关系。因此，只要能够测定未知亚甲基蓝溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查得对应的亚甲基蓝溶液的浓度。

4)TiO2光催化降解亚甲基蓝的测定

量取浓度为10 mg/L的亚甲基蓝溶液50 mL加入100 mL小烧杯，再加入50 mg的TiO2光催化剂粉末，在暗态磁力搅拌下30 min，待亚甲基蓝吸附达到平衡后，用8W黑光灯照射，每隔10 min倾倒出5 mL溶液进行离心分离，在分光光度计上用l cm比色皿测定上层清液在660 nm处的吸光度。根据吸光度的变化，结合标准曲线，可以判断TiO2光催化剂在紫外光照射下对亚甲基蓝的降解活性。

2.5 数据记录与处理

1)记录分光光度计型号、比色皿厚度，绘制吸收曲线和标准曲线。

2)记录不同光照时间后亚甲基蓝溶液的吸光度，并且从标准曲线上查得对应的浓度，计算TiO2光催化剂对亚甲基蓝的光催化降解率。

3 结束语

本实验项目包含基础化学、材料学中的材料制备、标准曲线制作和仪器操作等多方面的知识，有别于传统的“验证型”基础化学实验。完成这种类型的实验，需要学生掌握一定的相关学术前沿知识，要求学生知道如何查阅相关文献。而能够查阅相关领域文献是科研工作者必备的一种能力。通过本开放性实验项目，既可以培养学生的实际动手操作能力，提高学生的创新能力、科研能力、分析问题和解决问题能力，还可以促进学生对专业理论知识的再次复习、实际运用，同时激发学生对科学前沿知识的探索热情，着力培养学生独立思考、自主动手的科研素质。本文也是对先进科研成果转化形式的一种创新和探索，把科学前沿问题转化为可以实际操作的创新性实验项目，有利于激发学生的主观能动性，提高他们探索未知事物的兴趣。

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Experimental Design of the Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants of Titanium Dioxide

WANG Yana,b

(a. College of Chemistry and Chemical Engineering; b. Department of Scientific Research, He’nan University, Kaifeng 475001, China)

Many colleges and universities have been now providing the innovation laboratory or opening laboratory in order to cultivate the innovation ability of undergraduate students for scientific research. Those students are commonly excellent in their studies and have a strong interest in scientific research with enough time. But both the exploration and establishment of the experimental subject and the construction of the teachers’ troop face many problems. Some experimental subjects containing strong innovation and operation ability must be explored and provided to the students so as to better develop the students’ scientific literacy and improve the cultivation quality. This paper selected some scientific researches as the material and transformed into a viable opening experiment topic. It cultivates students’ operation, innovation, scientific research, and problem analyzing and solving ability.

opening experiment; scientific literacy; experiment topic; scientific research achievements.

2014-07-02；修改日期: 2015-01-19

河南大学校级教学改革研究基金资助项目。

王 岩(1979-)，男，博士研究生，讲师，主要从事先进光催化材料的设计、制备与表征和分析化学实验教学工作。

O643.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.003