王 巖

(河南大學(xué) a.化學(xué)化工學(xué)院; b.科研處, 河南 開封 475001)

二氧化鈦光催化降解有機污染物的實驗設(shè)計

王 巖a,b

(河南大學(xué) a.化學(xué)化工學(xué)院; b.科研處, 河南 開封 475001)

許多高校設(shè)有創(chuàng)新實驗室和開放實驗室，用來提高學(xué)習(xí)成績優(yōu)異、對科研具有濃厚興趣的本科生的科研創(chuàng)新能力和實踐動手能力，為他們進一步從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。但是，相關(guān)實驗課題的探索和建立，師資隊伍的建設(shè)等面臨著諸多問題。必須開設(shè)一些創(chuàng)新性和動手性較強的實驗課題才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，提高本科生的培養(yǎng)質(zhì)量。文中選取部分科研成果為素材，經(jīng)過實驗驗證，轉(zhuǎn)化為具有可行性的開放性實驗課題，培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手操作能力、創(chuàng)新能力、科研能力、分析和解決問題的能力。

開放實驗；科研素養(yǎng)；實驗課題；先進科研成果

近幾年來，開放性實驗成為高校本科實驗教學(xué)改革的一項重要成果[1]。河南大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心在開放性實驗平臺建設(shè)方面做了大量工作，主要集中于開放性實驗室的建立、管理制度的完善和開放性實驗的教學(xué)實踐等方面。但是，開放性實驗室的運行還面臨著缺少優(yōu)質(zhì)開放性實驗項目的問題。將先進科研成果轉(zhuǎn)化為開放性實驗項目具有明顯的現(xiàn)實意義，而這方面的研究目前還較少[2]。本文選取河南大學(xué)部分前沿性較強、具有可行性的科研成果轉(zhuǎn)化為開放性實驗項目，可以供時間充裕、能力較強的學(xué)生自主選擇，在相關(guān)開放性實驗室由學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，在教師的指導(dǎo)下獨立完成實驗、寫出實驗報告，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、獨立分析問題和解決問題能力，培養(yǎng)具有一定科研素養(yǎng)的高素質(zhì)人才。

1 選取的素材

環(huán)境污染和能源短缺是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)，也是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需要優(yōu)先考慮的重要課題。有毒難降解有機污染物(如農(nóng)藥、染料、苯系化合物、鹵代物等)引起的環(huán)境問題已經(jīng)成為影響人類生存與健康的重大問題。這類污染物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、毒性大、濃度低，用現(xiàn)有的環(huán)保技術(shù)很難處理。因此研究新的有效控制有毒難降解有機污染物的方法已成為國際上十分關(guān)注的棘手課題。河南省有毒有機物的污染尤其嚴重，控制有毒有機污染物是河南省亟待解決的問題之一。

通過光催化的方法，充分利用廉價并且“綠色”的太陽光，來有效降解有毒有機污染物，是解決目前全球性環(huán)境惡化危機的一個重要途徑。光催化可以直接利用取之不盡、用之不竭的太陽光降解、礦化水體和空氣中的有害污染物，在環(huán)境凈化方面具有巨大的潛力。以半導(dǎo)體氧化物為催化劑的多相光催化是一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)，其具有可以直接利用太陽光、室溫下反應(yīng)、可以把絕大部分有機污染物降解礦化且無二次污染等特性。二氧化鈦是一種在紫外光照射下具有光催化活性的重要金屬氧化物光催化劑，在環(huán)境凈化、太陽能轉(zhuǎn)換等方面具有廣泛的應(yīng)用。一些基于二氧化鈦的光催化技術(shù)已經(jīng)在環(huán)保領(lǐng)域得到應(yīng)用，已經(jīng)有光催化空氣凈化器、自清潔光催化陶瓷磚和光催化環(huán)保型涂料等商業(yè)化的產(chǎn)品。

本文選取的素材主要是河南大學(xué)特種功能材料教育部重點實驗室近幾年發(fā)表的一些學(xué)術(shù)論文[3-10]。通過巧妙的實驗設(shè)計，把這些常規(guī)基礎(chǔ)實驗涉及較少的科學(xué)前沿知識融合到開放性實驗項目當(dāng)中，既開拓了學(xué)生們的視野，又能訓(xùn)練他們的科研思維，增加實驗過程的挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性，使得整個實驗過程充滿科學(xué)探究的樂趣。

2 實驗方案設(shè)計

通過對上述文獻的精心梳理，本文設(shè)計了一個開放性實驗項目——二氧化鈦光催化劑的制備及其光催化降解亞甲基藍的比色測定。

2.1 實驗?zāi)康?/p>

1)了解二氧化鈦光催化的原理。

2)了解分光光度法的基本原理和方法。

3)掌握溶膠凝膠法制備二氧化鈦的原理和方法。

4)掌握用紫外可見分光光度法測定亞甲基藍濃度的方法。

2.2 實驗原理

二氧化鈦是一種半導(dǎo)體材料，即在價帶(valence band，VB)和導(dǎo)帶(conduction band，CB)之間存在一個禁帶(forbidden band or band gap)。金紅石相和銳鈦礦相二氧化鈦的禁帶寬度(Eg)分別為3.0 eV和3.2 eV。根據(jù)光吸收閾值與帶隙之間的關(guān)系式λ= 1 240 /Eg(eV)可知，二氧化鈦的吸收波長閾值在紫外區(qū)域。當(dāng)紫外光照射二氧化鈦時，如圖1所示，二氧化鈦的價帶電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，價帶上產(chǎn)生空穴，從而產(chǎn)生光生電子(e-)和空穴(h+)對：

TiO2+hν → e-+ h+

部分光生電子空穴對在體相內(nèi)或半導(dǎo)體表面復(fù)合湮滅。與此同時，部分光生電子與二氧化鈦表面

圖1 二氧化鈦光催化原理

吸附的氧分子發(fā)生反應(yīng)生成超氧負離子，最終，生成強氧化性的羥基自由基：

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應(yīng)活性，與表面吸附的水分子、OH-形成具有強氧化性的羥基自由基：

h++ H2O → ·OH + H+

h++ OH-→ ·OH

超氧負離子和羥基自由基具有很強的氧化性，能將絕大多數(shù)的有機物氧化為CO2和H2O，從而達到去除污染物的目的。

朗伯定律說明光的吸收與吸收層厚度成正比，比耳定律說明光的吸收與溶液濃度成正比；如果同時考慮吸收層厚度和溶液濃度對光吸收率的影響，即得朗伯-比耳定律，即

A=εbc

式中：A為吸光度；ε為摩爾吸光系數(shù)；b為液池厚度；c為溶液濃度。利用該式可以對溶液進行定性和定量分析。利用此法可以比較亞甲基藍光催化反應(yīng)前后的濃度變化。亞甲基藍溶液的最大吸收波長在662 nm處，測定其吸光度時，調(diào)整吸收波長到660 nm。

2.3 試劑和儀器

2)儀器。100 mL小燒杯；25 mL容量瓶；磁力攪拌器；磁子；黑光燈(8 W)；723E紫外可見分光光度計；比色皿；離心機；烘箱；馬弗爐。

2.4 實驗內(nèi)容

1)TiO2光催化劑的制備

2)亞甲基藍溶液最大吸收波長的確定

在分光光度計上，用蒸餾水做參比溶液，在分光光度計上用l cm比色皿測定10 mg/L亞甲基藍溶液在400 ～ 800 nm波長區(qū)間的吸光度，每隔20 nm測定一次吸光度。以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制出吸收曲線，從吸收曲線上確定亞甲基藍的最大吸收波長(約為660 nm)。

3)亞甲基藍溶液標準曲線的繪制

分別準確吸取10 mg/L亞甲基藍溶液5 mL、10 mL、15 mL、20 mL加入到25 mL容量瓶，加蒸餾水稀釋到刻度。在分光光度計上用l cm比色皿，在最大吸收波長(660 nm)處以水為參比測定各溶液的吸光度，以含亞甲基藍溶液濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 亞甲基藍的濃度C與吸光度A的關(guān)系

以染料濃度C為橫坐標，吸光度值A(chǔ)為縱坐標，做亞甲基藍的標準工作曲線，如圖2所示。

圖2 亞甲基藍的濃度—吸光度標準曲線

從圖2可知，在給定的濃度范圍內(nèi)，亞甲基藍溶液的濃度與吸光度成正比例關(guān)系。因此，只要能夠測定未知亞甲基藍溶液的吸光度，就可以從標準曲線上查得對應(yīng)的亞甲基藍溶液的濃度。

4)TiO2光催化降解亞甲基藍的測定

量取濃度為10 mg/L的亞甲基藍溶液50 mL加入100 mL小燒杯，再加入50 mg的TiO2光催化劑粉末，在暗態(tài)磁力攪拌下30 min，待亞甲基藍吸附達到平衡后，用8W黑光燈照射，每隔10 min傾倒出5 mL溶液進行離心分離，在分光光度計上用l cm比色皿測定上層清液在660 nm處的吸光度。根據(jù)吸光度的變化，結(jié)合標準曲線，可以判斷TiO2光催化劑在紫外光照射下對亞甲基藍的降解活性。

2.5 數(shù)據(jù)記錄與處理

1)記錄分光光度計型號、比色皿厚度，繪制吸收曲線和標準曲線。

2)記錄不同光照時間后亞甲基藍溶液的吸光度，并且從標準曲線上查得對應(yīng)的濃度，計算TiO2光催化劑對亞甲基藍的光催化降解率。

3 結(jié)束語

本實驗項目包含基礎(chǔ)化學(xué)、材料學(xué)中的材料制備、標準曲線制作和儀器操作等多方面的知識，有別于傳統(tǒng)的“驗證型”基礎(chǔ)化學(xué)實驗。完成這種類型的實驗，需要學(xué)生掌握一定的相關(guān)學(xué)術(shù)前沿知識，要求學(xué)生知道如何查閱相關(guān)文獻。而能夠查閱相關(guān)領(lǐng)域文獻是科研工作者必備的一種能力。通過本開放性實驗項目，既可以培養(yǎng)學(xué)生的實際動手操作能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、科研能力、分析問題和解決問題能力，還可以促進學(xué)生對專業(yè)理論知識的再次復(fù)習(xí)、實際運用，同時激發(fā)學(xué)生對科學(xué)前沿知識的探索熱情，著力培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主動手的科研素質(zhì)。本文也是對先進科研成果轉(zhuǎn)化形式的一種創(chuàng)新和探索，把科學(xué)前沿問題轉(zhuǎn)化為可以實際操作的創(chuàng)新性實驗項目，有利于激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提高他們探索未知事物的興趣。

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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

河南大學(xué)校級教學(xué)改革研究基金資助項目。

王 巖(1979-)，男，博士研究生，講師，主要從事先進光催化材料的設(shè)計、制備與表征和分析化學(xué)實驗教學(xué)工作。

O643.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.003