你需要知道的光催化研究經驗—實驗體系的搭建

光催化是目前非常熱門的一個研究方向，簡單來說就是研究一種高效的光催化劑，這種光催化劑能夠在光照的條件下，降解水體中的污染物（有機物污染物或重金屬離子），析出氫氣氧氣、還原二氧化碳、處理有毒氣體甲醛等。

因此，不少實驗室都開始打算進軍光催化領域，具體的實施工作就落到了很多小伙伴頭上了。

萬事開頭難，再加上沒有師兄師姐帶領，或許已經看了許多光催化的文章，也有了很好的ideal，但是具體的光催化實驗卻不會做，或是其中很多細節沒有注意到，導致實驗結果頻頻出錯，后續還有哪些實驗需要做也不太確認，因此陷入了苦惱。

光催化實驗看似簡單，但其中仍然需要注意許多事項，本文將為你細致的歸納總結光催化實驗中的干貨，能夠讓你以本文為菜譜，一步一步的教你搭建光催化裝置，完成光催化實驗。非常適合剛剛踏入光催化領域的下伙伴哦。

本文只針對“光催化水處理實驗”進行展示，因為光催化制氫、光催化二氧化碳還原以及更復雜的光催化反應所需要的反應裝置，自己搭建非常困難，且成本較高。

所用的設備都是成套購買，譬如國內中教金源和泊菲萊兩家公司都有各種專門的成套光催化裝置，但價格相對較高。而一套DIY的光催化水處理裝置，自己搭建話，僅在1000元以內即可完成一套較為完善的光催化評價裝置。

需要準備的材料清單

氙燈（模擬太陽光），利用氙（xian)氣放電而發光的電光源，這種燈的特點就是：

①輻射光譜能量分布與日光相接近（以此來模擬真實的太陽光）。

②連續光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，在壽命期內光譜能量分布也幾乎不變（光譜穩定性好，各個波長的光的占比不會隨時間變化）。

③燈的光、電參數一致性好，工作狀態受外界條件變化的影響小（輸出功率穩定，長時間用，光照強度不會改變）。

④燈一經燃點，幾乎是瞬時即可達到穩定的光輸出；燈滅后，可瞬時再燃點（操作方便，想開就開想關就關）。

⑤燈的光效較高，電位梯度較小（算是較為節能吧，但肯定沒法與LED等比）。

總結來說就是，用氙燈可以穩定地模擬真實的太陽光，而我們的目的就是做出在真實太陽光下進行水處理的光催化劑，因此氙燈是我們達到這個目的首選。

汞燈（模擬紫外光），利用汞蒸氣放電發光，也被稱為高壓汞燈，具體分類不再探討，但值得一提的是，選擇汞燈作為光源的情況是當想單純利用紫外光來進行光催化降解時，因為有些催化劑只有紫外光響應，沒有可見光響應，而紫外光的能量密度較高，因此降解效率是遠高于可見光的，因此如果是工業上大型污水的處理的話，那就得用紫外光作為光源來進行催化處理（因為得講究效率嘛，所以不要說紫外光響應的催化劑沒用，只要效率高，用處也是大大的）

LED燈（單色光，和其他用途），個人覺得有些雞肋，用的人也比較少，因為效率不如汞燈，光譜也與真實太陽光出入較大，作為模擬太陽光就比不上氙燈，唯一的優點就是節能吧。但可以嘗試用一些固定波長的LED燈來進行光催化降解，以此來討論不同的波長對光催化性能的影響

光功率計，這就是測量入射光能量的儀器，也叫光輻射計，一般都是測某一波長范圍的總能量（單位是w/cm²那種，不是Lux那種哦），價格從一兩百到一兩萬的都有，可以自己選用（當然很多文章也沒有提供具體的入射光功率，只是給出了燈的功率，但為了嚴謹，建議使用）。

濾光片，濾光片可以過濾某一波長以上的光或者某一波長以下的光，例如我們常用的搭配就是氙燈加上400 nm的濾光片，濾掉紫外光，觀察可見光的光催化性能。

反應器的選擇，說是反應器可能大家會覺得比較高大上，通俗來講，就是一個杯子，我身邊有個同學就是直接把染料和催化劑混在燒杯里，然后用光去照它，觀察染料脫色。

當然了，實驗肯定不能這么做，光催化實驗是需要專門的杯子作為反應器的，也就是我們說冷凝套杯，這種杯子能在杯子外側通入冷凝水，以此來保持光催化過程中的反應溫度，主要是為了防止溫度過高，把你的污水的蒸干了，水份的蒸發會使得污水濃度變高，最終使你測出來的濃度數據飄忽不定。

遮光罩，整個反應必須在遮光罩里進行，避免外界光對反應的影響，也能保護實驗人員不受光源的傷害。

圖一、最終的裝置示意圖

如果所用的是氙燈，由于功率輸出較為穩定，開燈時將光功率計探頭放在與降解污水時水面高度處，直接讀取功率即可，后續可不用連續讀數。

實驗方法

材料都有了，那就開始做光催化降解反應實驗了。

具體步驟如下：

第一步，往反應器里加入一定濃度的模擬污水（一般都是染料溶液），取樣待用。

第二步，再入一定量的催化劑（一般都是粉末）。

第三步，避光條件下，磁力攪拌半小時（這是為了達到吸附平衡，如果你的材料沒那么快平衡，那就多避光攪拌一段時間，你也可以測一下具體達到吸附平衡的時間—避光下每隔一段時間取一次樣，測濃度，直到濃度不在變化，但是大部分材料五六分鐘就平衡了）。

第四步，吸附平衡后，打開光源，將光打到你們的污水和催化劑的混合液上，開啟冷凝水，蓋上濾光片，開始計時，每隔20 min 取一次樣。（如果降解效果比較好，比如1小時就降解完，你可以10 min 取一次；如果降解效果不好，三四個小時才降解完，你可以30 min 取一次；反正得保證從降解開始到降解結束，至少五個點，這樣作圖時要好看一些）

注意事項：

1. 測濃度的時候一般都要求純溶液，因此需要進行催化劑分離，可以選擇兩種方式：離心和過濾，離心就用高速離心機，然后小心地取上清液出來即可；若沒有離心機，那就買一些過濾頭和注射器，用注射器取樣后再套上水系濾頭，推出濾液即可，但過濾的時候一定要、一定要、一定要，先濾三遍后再進行過濾取樣（因為濾頭也會吸附一定的染料，因此先讓其吸附飽和，不然濾過的液體濃度會低于真實的濃度）
2. 染料初始濃度一般選擇為10 ppm，催化劑的質量和污水體積之比選擇1 g/1000 ml，也就是如果污水有100 ml ?催化劑就加1 g，這是大部分文章所用的投料比。因為如果濃度過高，會大于儀器檢測上限，導致測不準（當然測的時候可以稀釋，但是我覺得麻煩，而且引入了誤差）；投料比其實也不一定完全要按照1：1000，我覺得這個得和催化劑的吸附能力大小相關，如果吸附能力強，那投料可以少一些，不然染料都被吸附的差不多了，還做什么降解，并且不同的光催化劑做橫向性能對比時，吸附的差異也會造成在降解開始時染料的濃度差異（初始濃度對降解是有一定的影響的），所以，若是吸附性能很強，那么加量一定要控制不要太多。但過少又會使反應時間延長，實驗效率降低，因此，0.1g/1000 ml 的基礎上略微的變動吧。

降解數據處理

做完降解實驗，你會有以下樣品需要測：初始染料濃度（未加催化劑之前的），降解0min時的濃度（加完催化劑攪拌吸附的），以及每隔一段時間所取得樣品。

然后按下表格進行計算得出各個取樣點的C/C₀?和ln（C₀/C）其中C₀就是0 min 時的濃度。（吸附率=?C₀/初始染料濃度）

然后作圖，按照橫坐標-時間，縱坐標-降解率（C/C₀）進行作圖，這個圖就是降解動力學圖。還要計算出反應速率常數，怎么算呢？也是橫坐標-時間，縱坐標-變為In（C₀/C），然后直線擬合，擬合出的斜率就是一級反應速率常數了，光催化降解一般都是一級反應（單位是min^-或h^-）。

圖二、光催化性能降解圖

（a），一級動力學擬合圖（b），循環使用性能圖（c），pH影響圖（d）的示例圖。

后續表征

對光催化材料的表征有很多種，所以在你的材料具有確實的提升性能以后就可以開始著手進行表征了。

這里列舉一些最基本的表征手段。

掃描電鏡（SEM）：用來觀察材料表面的微觀形貌。

透射電鏡（TEM）：用來觀察材料的立體結構。

元素分析（EDS）:這個是在做掃描或透射的時候一起做的（需要加錢），可以知道你的材料表面的元素分布。

比表面積測試（BET）：用來測試材料的比表面積，一般來說比表面積越大，性能越好

紫外可見漫反射（DRS）：用來測材料在各個波長的光吸收性能，俗稱固體紫外。

固體熒光（PL）：這個也是光催化劑里必備的光電測試之一，大部分觀點認為固體熒光強度越低，說明光生載流子分離越好(也有強度越高，性能更好的，例如某些缺陷類材料)。

光電流測試：利用電化學工作站，測量光照時產生的電流，該實驗有專門的實驗方法（此實驗有點復雜，后續補充）

化學阻抗譜：也是利用電化學工作站進行測試（后續補充）

圖三、光電流圖

（c）與化學阻抗譜（d）（如何進行相關實驗后續再做補充）

紅外光譜、拉曼光譜：用于化學結構的分析

X射線衍射（XRD）：用于晶體結構的分析

還有其他表征手段根據需要證明的結論不同而做出選擇，后續再補充。

輔助實驗

循環評價實驗：就是觀察催化劑可重復使用性能，一般分為兩種，一種是降解完后分離出催化劑，然后再投入到新的污水中。第二種是降解完后不分離出催化劑，直接往催化劑處理過的水中再加入高濃度污染物。

自由基捕獲實驗：用于判斷降解過程中具體是哪些中間活性物質在起作用，一般論文里都認為降解的主要活性物質有三種，分別是超氧自由基、羥基自由基、空穴，分別可以在降解的過程中加入對苯醌（超氧自由基猝滅劑），異丙醇（羥基自由基猝滅），EDTA-2Na（空穴猝滅）。加入哪種猝滅劑后，若對比未加猝滅劑只加催化劑的空白組，降解率有所下降，那就說明是哪種中間物質起到了作用。

圖四、

加入三種猝滅劑后，通過降解率的下降來判斷出具有哪些中間物質，其中三個都下降了，那就是三種都有，但不是說活性物質只有羥基自由基、超氧自由基，空穴三種，而是這三種是主要的活性物質而且大部分文章里都是探討的這三種。

pH 的影響：pH 會影響材料的表面電荷（可以通過Zeta電位測出），從而使材料的吸附性能改變，從而改變光催化性能，而且有些物質在不同pH下的降解難以程度也會不一樣。

具體采購方案

氙燈

一套功率300 w?的價格大概在600-800 左右，有點小貴，但相對專業一些。

汞燈

使用時注意放在避光罩里面反應，不然曬黑警告哦。

遮光罩（攝影燈罩）

光催化反應器（冷凝套杯）

光功率計

記住要買單位是w/cm²_?而不是dB或是Lux的！

以上僅個人經驗分享，若有補充，歡迎討論！！

本文由137億年供稿。

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