光催化性能測試在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用

鄭贛鴻 戴振翔 李剛

摘? 要：光催化技術(shù)是目前最有前景的環(huán)境污染處理方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)有機物的降解與礦化，反應(yīng)速度快，工藝成本低，運行條件溫和且不產(chǎn)生二次污染，是一種適用于廢水處理的新工藝[1]。本文以催化劑γ-Bi2MoO6降解羅丹明測試為例，設(shè)計了一套光催化性能測試在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用課程，介紹了光催化降解原理、數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理方法，闡述了光催化技術(shù)在本科實驗教學(xué)中的可行性和重要性。

關(guān)鍵詞：光催化降解;創(chuàng)新實驗;實驗教學(xué);光催化性能測試;本科

中圖分類號：O643.31 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-9052（2021）08-00-02

實驗教學(xué)作為高等教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維方面有著其他教學(xué)方法不可替代的作用，有助于學(xué)生將知識能力有機融合。將前沿性的科學(xué)問題引入課程內(nèi)容中，一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及對專業(yè)的認(rèn)知度;另一方面可以讓課程有一定難度和挑戰(zhàn)，讓學(xué)生跳一跳才可以夠得著。因此，實驗教學(xué)是培養(yǎng)合格人才不可缺少的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)今全球范圍內(nèi)不同程度出現(xiàn)了環(huán)境污染和能源危機問題。為了解決這兩大問題，亟需開發(fā)一種整治環(huán)境污染、制備清潔能源的新技術(shù)。在眾多選擇中，光催化技術(shù)是最簡單、最有前景的。因此，本文設(shè)計了一項利用光催化降解有機污染物羅丹明的實驗，實驗?zāi)康氖橇私夤獯呋到馕廴疚锏脑?，掌握光催化測試方法，了解各個參數(shù)的物理含義以及學(xué)會數(shù)據(jù)的初步分析。

一、光催化原理

所謂的光催化指的是在光照驅(qū)動下，半導(dǎo)體材料催化劑發(fā)生的催化反應(yīng)。即在一定的波長條件下，半導(dǎo)體材料在光照射下，光生載流子發(fā)生分離。其中光生電子（或空穴）與離子（或者分子）結(jié)合，生成具有氧化性（或還原性）的活性自由基[2]。這種活性自由基能夠?qū)⒂袡C物大分子降解為CO2、H2O和無機離子等小分子物質(zhì)。整個過程無二次污染，降解程度高，是一種環(huán)境友好的反應(yīng)，因而備受青睞。

二、樣品的制備及催化性能測定

（一）選樣

本實驗選擇γ-Bi2MoO6作為研究對象。γ-Bi2MoO6屬于鉍系光催化劑，在可見光范圍內(nèi)具有明顯的光吸收效應(yīng)，是光催化領(lǐng)域內(nèi)的一個重要體系。它具有最簡單的層狀奧里維里斯（Aurivillius）型結(jié)構(gòu)，即八面體MoO6夾在（Bi2O2）2+層之間，組成一種獨特的鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅有利于光捕獲及光生載流子的傳遞，且能夠通過層間分子或離子的變化進一步調(diào)節(jié)光催化性能。此外，Bi離子的6s和O的2p之間存在軌道雜化，價帶位置較高，禁帶寬度相對較窄（2.5—2.8eV之間），最大的吸收波長大約為491 nm，因此在可見光范圍內(nèi)也具有較明顯的光吸收效應(yīng)和較好的潛在可見光催化活性。

（二）制備

首先是樣品的制備方法以及制備條件。在此過程中，學(xué)生該如何選取合適制備方法、制備樣品的原材料、如何確定合適的反應(yīng)溫度和pH值？通過對上述問題的回答，學(xué)生能夠加深理解制備過程中所蘊含的理論知識。

γ-Bi2MoO6采用水熱合成。首先將一定量的硝酸鉍溶解在乙二醇溶液中，磁力攪拌30 min至完全溶解。鉬酸鈉溶解在去離子水中，磁力攪拌30 min，把鉬酸鈉溶液加入硝酸鉍溶液中形成混合溶液，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)混合溶液的pH值，達到7。并加入聚乙烯吡咯烷酮磁力攪拌30 min。最后，把上述前驅(qū)液置于高溫高壓反應(yīng)釜（Parr 4577）中，在160 °C下恒溫12 h。冷卻至室溫后，取出樣品，倒出上清液，用酒精和去離子水反復(fù)清洗，最后，在80 °C下干燥制得樣品[3]。

（三）催化性能的測試

為了加深學(xué)生對催化原理的理解以及掌握光催化性能測試的方法，教師指導(dǎo)學(xué)生在氙燈照射下觀察γ-Bi2MoO6樣品降解羅丹明的光催化性能。具體實驗如下：將100 mL濃度為10 mg/L的羅丹明水溶液與50 mg的光催化劑混合。接著，將混合溶液置于暗室中攪拌20 min，目的是建立溶液吸附—解吸平衡狀態(tài)。然后，打開光源光照，每間隔5 min提取4 mL左右溶液。高速離心，取上清液，用紫外—可見分光光度計測試[4]，并用校準(zhǔn)曲線計算和分析亞甲基藍的濃度。

三、催化性能分析

在測試過程中，指導(dǎo)學(xué)生觀察RhB顏色的改變，并且通過記錄其紫外可見光吸收光譜峰值（λ=663 nm）的改變來判定樣品在光照射下的降解率。隨著光照時間的增加，染料溶液逐漸褪色，663 nm處的光吸收峰值也逐漸降低，如圖1（a）。

接著，教師指導(dǎo)學(xué)生利用圖1（a）的關(guān)系繪制催化降解效率圖，如圖1（b）。圖中時間-5時的數(shù)值表示羅丹明和樣品在未光照下吸附平衡的過程，相應(yīng)的，從0到30 min對應(yīng)的數(shù)值表示羅丹明吸附樣品后在光照下其濃度的變化。假設(shè)C0是羅丹明的初始濃度，C是照射時間為t時的羅丹明濃度，則C/C0表示降解效率（De）。從圖1（b）可以看出，經(jīng)過30 min的光照后，濃度從100%到25%，也就是說樣品的降解效率達到75%。

完成上述基本催化性能測試以后，指導(dǎo)學(xué)生分析體系的催化性能，培養(yǎng)學(xué)生的分析數(shù)據(jù)能力。對于半導(dǎo)體而言，在光照射下，會產(chǎn)生電子-空穴對。其中，光生電子將與吸附在光催化劑表面的O2反應(yīng)，產(chǎn)生具有強氧化性的超氧自由基（O2–）。光生空穴可以與H2O和OH-反應(yīng)生成羥基自由基（OH），可直接與RhB分子反應(yīng)，最終變成CO2和H2O。

基于上述討論，在制備的樣品表面引起RhB降解的反應(yīng)可以表示如下[3]：

四、實驗的難點及注意事項

實驗過程中通過氙燈光照提供光源，氙燈應(yīng)放置在能提供最大光源強度的位置。此外，降解過程30 min，假設(shè)分開實驗的話，比較費時間，因此可以多組學(xué)生連續(xù)測試。測試之前，要先開機，預(yù)熱15 min，才能開始測試。測試催化過程中氙燈光照，學(xué)生應(yīng)避免直接觀察，佩戴墨鏡，防刺眼。樣品的測試數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)個別跳點，屬于正?，F(xiàn)象。

五、教學(xué)效果評價

通過實驗過程的三個方面來評價教學(xué)效果，一是學(xué)生對光催化原理的掌握理解，二是光催化儀器的操作以及催化性能的測試，三是理論聯(lián)系實際，進行數(shù)據(jù)分析。教學(xué)實踐表明，學(xué)生能基本掌握光催化原理以及儀器的操作，能成功繪制出光催化降解率隨時間的變化曲線，并能進行簡單分析。但是，由于催化性能受多方面因素影響，如形貌，元素價態(tài)等，而時間有限，沒有辦法讓學(xué)生進行一一測試，因此，限制了學(xué)生對材料催化性能的理解。在以后的教學(xué)中，可以嘗試允許學(xué)生提前進入指導(dǎo)教師課題組參與樣品的制備，從而提高學(xué)生對催化材料的進一步認(rèn)識[5]。

六、結(jié)論

通過制備和測試γ-Bi2MoO6的光催化性能，我們將催化性能測試融入大學(xué)本科實驗教學(xué)，期望培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力和分析數(shù)據(jù)能力，加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提高學(xué)生運用理論知識分析解決問題的能力。

參考文獻：

[1]王楚亞.新型鉍基納米材料可見光催化降解有機污染物[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文，2018.

[2]斯康.技術(shù)創(chuàng)新在交通行業(yè)改革中的落地與轉(zhuǎn)化[J].中國公路，2017（15）：18-19.

[3]目晶晶.Bi2MoO6的能帶調(diào)控和光催化性能研究[D].安徽大學(xué)碩士論文，2018.

[4]王敏.TiO2/石墨烯復(fù)合物界面調(diào)控與N/S摻雜改性研究[D].安徽大學(xué)博士論文，2019.

[5]郭友敏，等.電化學(xué)阻抗譜在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2016（4）：4-7.

（責(zé)任編輯：董維）