光催化性能測試在本科實驗教學中的應用

鄭贛鴻 戴振翔 李剛

摘? 要：光催化技術是目前最有前景的環境污染處理方法，它能夠實現有機物的降解與礦化，反應速度快，工藝成本低，運行條件溫和且不產生二次污染，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，設計了一套光催化性能測試在本科實驗教學中的應用課程，介紹了光催化降解原理、數據采集方法和數據處理方法，闡述了光催化技術在本科實驗教學中的可行性和重要性。

關鍵詞：光催化降解;創新實驗;實驗教學;光催化性能測試;本科

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

實驗教學作為高等教學中的重要環節，在培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維方面有著其他教學方法不可替代的作用，有助于學生將知識能力有機融合。將前沿性的科學問題引入課程內容中，一方面可以提高學生的學習興趣以及對專業的認知度;另一方面可以讓課程有一定難度和挑戰，讓學生跳一跳才可以夠得著。因此，實驗教學是培養合格人才不可缺少的重要環節。當今全球范圍內不同程度出現了環境污染和能源危機問題。為了解決這兩大問題，亟需開發一種整治環境污染、制備清潔能源的新技術。在眾多選擇中，光催化技術是最簡單、最有前景的。因此，本文設計了一項利用光催化降解有機污染物羅丹明的實驗，實驗目的是了解光催化降解污染物的原理，掌握光催化測試方法，了解各個參數的物理含義以及學會數據的初步分析。

一、光催化原理

所謂的光催化指的是在光照驅動下，半導體材料催化劑發生的催化反應。即在一定的波長條件下，半導體材料在光照射下，光生載流子發生分離。其中光生電子（或空穴）與離子（或者分子）結合，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將有機物大分子降解為CO2、H2O和無機離子等小分子物質。整個過程無二次污染，降解程度高，是一種環境友好的反應，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，在可見光范圍內具有明顯的光吸收效應，是光催化領域內的一個重要體系。它具有最簡單的層狀奧里維里斯（Aurivillius）型結構，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構。這種結構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節光催化性能。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也具有較明顯的光吸收效應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溫度和pH值？通過對上述問題的回答，學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，用氫氧化鈉調節混合溶液的pH值，達到7。并加入聚乙烯吡咯烷酮磁力攪拌30 min。最后，把上述前驅液置于高溫高壓反應釜（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，教師指導學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。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，指導學生觀察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，教師指導學生利用圖1（a）的關系繪制催化降解效率圖，如圖1（b）。圖中時間-5時的數值表示羅丹明和樣品在未光照下吸附平衡的過程，相應的，從0到30 min對應的數值表示羅丹明吸附樣品后在光照下其濃度的變化。假設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，指導學生分析體系的催化性能，培養學生的分析數據能力。對于半導體而言，在光照射下，會產生電子-空穴對。其中，光生電子將與吸附在光催化劑表面的O2反應，產生具有強氧化性的超氧自由基（O2–）。光生空穴可以與H2O和OH-反應生成羥基自由基（OH），可直接與RhB分子反應，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，假設分開實驗的話，比較費時間，因此可以多組學生連續測試。測試之前，要先開機，預熱15 min，才能開始測試。測試催化過程中氙燈光照，學生應避免直接觀察，佩戴墨鏡，防刺眼。樣品的測試數據可能會出現個別跳點，屬于正常現象。

五、教學效果評價

通過實驗過程的三個方面來評價教學效果，一是學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，三是理論聯系實際，進行數據分析。教學實踐表明，學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，元素價態等，而時間有限，沒有辦法讓學生進行一一測試，因此，限制了學生對材料催化性能的理解。在以后的教學中，可以嘗試允許學生提前進入指導教師課題組參與樣品的制備，從而提高學生對催化材料的進一步認識[5]。

六、結論

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本科實驗教學，期望培養學生的實踐操作能力和分析數據能力，加深學生對所學理論知識的理解，提高學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].中國科學技術大學博士論文，2018.

[2]斯康.技術創新在交通行業改革中的落地與轉化[J].中國公路，2017（15）：18-19.

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

[4]王敏.TiO2/石墨烯復合物界面調控與N/S摻雜改性研究[D].安徽大學博士論文，2019.

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

（責任編輯：董維）