光催化性能测试在本科实验教学中的应用

郑赣鸿 戴振翔 李刚

摘  要：光催化技术是目前最有前景的环境污染处理方法，它能够实现有机物的降解与矿化，反应速度快，工艺成本低，运行条件温和且不产生二次污染，是一种适用于废水处理的新工艺[1]。本文以催化剂γ-Bi2MoO6降解罗丹明测试为例，设计了一套光催化性能测试在本科实验教学中的应用课程，介绍了光催化降解原理、数据采集方法和数据处理方法，阐述了光催化技术在本科实验教学中的可行性和重要性。

关键词：光催化降解;创新实验;实验教学;光催化性能测试;本科

中图分类号：O643.31 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2021）08-00-02

实验教学作为高等教学中的重要环节，在培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维方面有着其他教学方法不可替代的作用，有助于学生将知识能力有机融合。将前沿性的科学问题引入课程内容中，一方面可以提高学生的学习兴趣以及对专业的认知度;另一方面可以让课程有一定难度和挑战，让学生跳一跳才可以够得着。因此，实验教学是培养合格人才不可缺少的重要环节。当今全球范围内不同程度出现了环境污染和能源危机问题。为了解决这两大问题，亟需开发一种整治环境污染、制备清洁能源的新技术。在众多选择中，光催化技术是最简单、最有前景的。因此，本文设计了一项利用光催化降解有机污染物罗丹明的实验，实验目的是了解光催化降解污染物的原理，掌握光催化测试方法，了解各个参数的物理含义以及学会数据的初步分析。

一、光催化原理

所谓的光催化指的是在光照驱动下，半导体材料催化剂发生的催化反应。即在一定的波长条件下，半导体材料在光照射下，光生载流子发生分离。其中光生电子（或空穴）与离子（或者分子）结合，生成具有氧化性（或还原性）的活性自由基[2]。这种活性自由基能够将有机物大分子降解为CO2、H2O和无机离子等小分子物质。整个过程无二次污染，降解程度高，是一种环境友好的反应，因而备受青睐。

二、样品的制备及催化性能测定

（一）选样

本实验选择γ-Bi2MoO6作为研究对象。γ-Bi2MoO6属于铋系光催化剂，在可见光范围内具有明显的光吸收效应，是光催化领域内的一个重要体系。它具有最简单的层状奥里维里斯（Aurivillius）型结构，即八面体MoO6夹在（Bi2O2）2+层之间，组成一种独特的钙钛矿层状结构。这种结构不仅有利于光捕获及光生载流子的传递，且能够通过层间分子或离子的变化进一步调节光催化性能。此外，Bi离子的6s和O的2p之间存在轨道杂化，价带位置较高，禁带宽度相对较窄（2.5—2.8eV之间），最大的吸收波长大约为491 nm，因此在可见光范围内也具有较明显的光吸收效应和较好的潜在可见光催化活性。

（二）制备

首先是样品的制备方法以及制备条件。在此过程中，学生该如何选取合适制备方法、制备样品的原材料、如何确定合适的反应温度和pH值？通过对上述问题的回答，学生能够加深理解制备过程中所蕴含的理论知识。

γ-Bi2MoO6采用水热合成。首先将一定量的硝酸铋溶解在乙二醇溶液中，磁力搅拌30 min至完全溶解。钼酸钠溶解在去离子水中，磁力搅拌30 min，把钼酸钠溶液加入硝酸铋溶液中形成混合溶液，用氢氧化钠调节混合溶液的pH值，达到7。并加入聚乙烯吡咯烷酮磁力搅拌30 min。最后，把上述前驱液置于高温高压反应釜（Parr 4577）中，在160 °C下恒温12 h。冷却至室温后，取出样品，倒出上清液，用酒精和去离子水反复清洗，最后，在80 °C下干燥制得樣品[3]。

（三）催化性能的测试

为了加深学生对催化原理的理解以及掌握光催化性能测试的方法，教师指导学生在氙灯照射下观察γ-Bi2MoO6样品降解罗丹明的光催化性能。具体实验如下：将100 mL浓度为10 mg/L的罗丹明水溶液与50 mg的光催化剂混合。接着，将混合溶液置于暗室中搅拌20 min，目的是建立溶液吸附—解吸平衡状态。然后，打开光源光照，每间隔5 min提取4 mL左右溶液。高速离心，取上清液，用紫外—可见分光光度计测试[4]，并用校准曲线计算和分析亚甲基蓝的浓度。

三、催化性能分析

在测试过程中，指导学生观察RhB颜色的改变，并且通过记录其紫外可见光吸收光谱峰值（λ=663 nm）的改变来判定样品在光照射下的降解率。随着光照时间的增加，染料溶液逐渐褪色，663 nm处的光吸收峰值也逐渐降低，如图1（a）。

接着，教师指导学生利用图1（a）的关系绘制催化降解效率图，如图1（b）。图中时间-5时的数值表示罗丹明和样品在未光照下吸附平衡的过程，相应的，从0到30 min对应的数值表示罗丹明吸附样品后在光照下其浓度的变化。假设C0是罗丹明的初始浓度，C是照射时间为t时的罗丹明浓度，则C/C0表示降解效率（De）。从图1（b）可以看出，经过30 min的光照后，浓度从100%到25%，也就是说样品的降解效率达到75%。

完成上述基本催化性能测试以后，指导学生分析体系的催化性能，培养学生的分析数据能力。对于半导体而言，在光照射下，会产生电子-空穴对。其中，光生电子将与吸附在光催化剂表面的O2反应，产生具有强氧化性的超氧自由基（O2–）。光生空穴可以与H2O和OH-反应生成羟基自由基（OH），可直接与RhB分子反应，最终变成CO2和H2O。

基于上述讨论，在制备的样品表面引起RhB降解的反应可以表示如下[3]：

四、实验的难点及注意事项

实验过程中通过氙灯光照提供光源，氙灯应放置在能提供最大光源强度的位置。此外，降解过程30 min，假设分开实验的话，比较费时间，因此可以多组学生连续测试。测试之前，要先开机，预热15 min，才能开始测试。测试催化过程中氙灯光照，学生应避免直接观察，佩戴墨镜，防刺眼。样品的测试数据可能会出现个别跳点，属于正常现象。

五、教学效果评价

通过实验过程的三个方面来评价教学效果，一是学生对光催化原理的掌握理解，二是光催化仪器的操作以及催化性能的测试，三是理论联系实际，进行数据分析。教学实践表明，学生能基本掌握光催化原理以及仪器的操作，能成功绘制出光催化降解率随时间的变化曲线，并能进行简单分析。但是，由于催化性能受多方面因素影响，如形貌，元素价态等，而时间有限，没有办法让学生进行一一测试，因此，限制了学生对材料催化性能的理解。在以后的教学中，可以尝试允许学生提前进入指导教师课题组参与样品的制备，从而提高学生对催化材料的进一步认识[5]。

六、结论

通过制备和测试γ-Bi2MoO6的光催化性能，我们将催化性能测试融入大学本科实验教学，期望培养学生的实践操作能力和分析数据能力，加深学生对所学理论知识的理解，提高学生运用理论知识分析解决问题的能力。

参考文献：

[1]王楚亚.新型铋基纳米材料可见光催化降解有机污染物[D].中国科学技术大学博士论文，2018.

[2]斯康.技术创新在交通行业改革中的落地与转化[J].中国公路，2017（15）：18-19.

[3]目晶晶.Bi2MoO6的能带调控和光催化性能研究[D].安徽大学硕士论文，2018.

[4]王敏.TiO2/石墨烯复合物界面调控与N/S掺杂改性研究[D].安徽大学博士论文，2019.

[5]郭友敏，等.电化学阻抗谱在本科实验教学中的应用[J].大学物理实验，2016（4）：4-7.

（责任编辑：董维）