你需要知道的光催化研究经验—实验体系的搭建

光催化是目前非常热门的一个研究方向，简单来说就是研究一种高效的光催化剂，这种光催化剂能够在光照的条件下，降解水体中的污染物（有机物污染物或重金属离子），析出氢气氧气、还原二氧化碳、处理有毒气体甲醛等。

因此，不少实验室都开始打算进军光催化领域，具体的实施工作就落到了很多小伙伴头上了。

万事开头难，再加上没有师兄师姐带领，或许已经看了许多光催化的文章，也有了很好的ideal，但是具体的光催化实验却不会做，或是其中很多细节没有注意到，导致实验结果频频出错，后续还有哪些实验需要做也不太确认，因此陷入了苦恼。

光催化实验看似简单，但其中仍然需要注意许多事项，本文将为你细致的归纳总结光催化实验中的干货，能够让你以本文为菜谱，一步一步的教你搭建光催化装置，完成光催化实验。非常适合刚刚踏入光催化领域的下伙伴哦。

本文只针对“光催化水处理实验”进行展示，因为光催化制氢、光催化二氧化碳还原以及更复杂的光催化反应所需要的反应装置，自己搭建非常困难，且成本较高。

所用的设备都是成套购买，譬如国内中教金源和泊菲莱两家公司都有各种专门的成套光催化装置，但价格相对较高。而一套DIY的光催化水处理装置，自己搭建话，仅在1000元以内即可完成一套较为完善的光催化评价装置。

需要准备的材料清单

氙灯（模拟太阳光），利用氙（xian)气放电而发光的电光源，这种灯的特点就是：

①辐射光谱能量分布与日光相接近（以此来模拟真实的太阳光）。

②连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变（光谱稳定性好，各个波长的光的占比不会随时间变化）。

③灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小（输出功率稳定，长时间用，光照强度不会改变）。

④灯一经燃点，几乎是瞬时即可达到稳定的光输出；灯灭后，可瞬时再燃点（操作方便，想开就开想关就关）。

⑤灯的光效较高，电位梯度较小（算是较为节能吧，但肯定没法与LED等比）。

总结来说就是，用氙灯可以稳定地模拟真实的太阳光，而我们的目的就是做出在真实太阳光下进行水处理的光催化剂，因此氙灯是我们达到这个目的首选。

汞灯（模拟紫外光），利用汞蒸气放电发光，也被称为高压汞灯，具体分类不再探讨，但值得一提的是，选择汞灯作为光源的情况是当想单纯利用紫外光来进行光催化降解时，因为有些催化剂只有紫外光响应，没有可见光响应，而紫外光的能量密度较高，因此降解效率是远高于可见光的，因此如果是工业上大型污水的处理的话，那就得用紫外光作为光源来进行催化处理（因为得讲究效率嘛，所以不要说紫外光响应的催化剂没用，只要效率高，用处也是大大的）

LED灯（单色光，和其他用途），个人觉得有些鸡肋，用的人也比较少，因为效率不如汞灯，光谱也与真实太阳光出入较大，作为模拟太阳光就比不上氙灯，唯一的优点就是节能吧。但可以尝试用一些固定波长的LED灯来进行光催化降解，以此来讨论不同的波长对光催化性能的影响

光功率计，这就是测量入射光能量的仪器，也叫光辐射计，一般都是测某一波长范围的总能量（单位是w/cm²那种，不是Lux那种哦），价格从一两百到一两万的都有，可以自己选用（当然很多文章也没有提供具体的入射光功率，只是给出了灯的功率，但为了严谨，建议使用）。

滤光片，滤光片可以过滤某一波长以上的光或者某一波长以下的光，例如我们常用的搭配就是氙灯加上400 nm的滤光片，滤掉紫外光，观察可见光的光催化性能。

反应器的选择，说是反应器可能大家会觉得比较高大上，通俗来讲，就是一个杯子，我身边有个同学就是直接把染料和催化剂混在烧杯里，然后用光去照它，观察染料脱色。

当然了，实验肯定不能这么做，光催化实验是需要专门的杯子作为反应器的，也就是我们说冷凝套杯，这种杯子能在杯子外侧通入冷凝水，以此来保持光催化过程中的反应温度，主要是为了防止温度过高，把你的污水的蒸干了，水份的蒸发会使得污水浓度变高，最终使你测出来的浓度数据飘忽不定。

遮光罩，整个反应必须在遮光罩里进行，避免外界光对反应的影响，也能保护实验人员不受光源的伤害。

图一、最终的装置示意图

如果所用的是氙灯，由于功率输出较为稳定，开灯时将光功率计探头放在与降解污水时水面高度处，直接读取功率即可，后续可不用连续读数。

实验方法

材料都有了，那就开始做光催化降解反应实验了。

具体步骤如下：

第一步，往反应器里加入一定浓度的模拟污水（一般都是染料溶液），取样待用。

第二步，再入一定量的催化剂（一般都是粉末）。

第三步，避光条件下，磁力搅拌半小时（这是为了达到吸附平衡，如果你的材料没那么快平衡，那就多避光搅拌一段时间，你也可以测一下具体达到吸附平衡的时间—避光下每隔一段时间取一次样，测浓度，直到浓度不在变化，但是大部分材料五六分钟就平衡了）。

第四步，吸附平衡后，打开光源，将光打到你们的污水和催化剂的混合液上，开启冷凝水，盖上滤光片，开始计时，每隔20 min 取一次样。（如果降解效果比较好，比如1小时就降解完，你可以10 min 取一次；如果降解效果不好，三四个小时才降解完，你可以30 min 取一次；反正得保证从降解开始到降解结束，至少五个点，这样作图时要好看一些）

注意事项：

1. 测浓度的时候一般都要求纯溶液，因此需要进行催化剂分离，可以选择两种方式：离心和过滤，离心就用高速离心机，然后小心地取上清液出来即可；若没有离心机，那就买一些过滤头和注射器，用注射器取样后再套上水系滤头，推出滤液即可，但过滤的时候一定要、一定要、一定要，先滤三遍后再进行过滤取样（因为滤头也会吸附一定的染料，因此先让其吸附饱和，不然滤过的液体浓度会低于真实的浓度）
2. 染料初始浓度一般选择为10 ppm，催化剂的质量和污水体积之比选择1 g/1000 ml，也就是如果污水有100 ml  催化剂就加1 g，这是大部分文章所用的投料比。因为如果浓度过高，会大于仪器检测上限，导致测不准（当然测的时候可以稀释，但是我觉得麻烦，而且引入了误差）；投料比其实也不一定完全要按照1：1000，我觉得这个得和催化剂的吸附能力大小相关，如果吸附能力强，那投料可以少一些，不然染料都被吸附的差不多了，还做什么降解，并且不同的光催化剂做横向性能对比时，吸附的差异也会造成在降解开始时染料的浓度差异（初始浓度对降解是有一定的影响的），所以，若是吸附性能很强，那么加量一定要控制不要太多。但过少又会使反应时间延长，实验效率降低，因此，0.1g/1000 ml 的基础上略微的变动吧。

降解数据处理

做完降解实验，你会有以下样品需要测：初始染料浓度（未加催化剂之前的），降解0min时的浓度（加完催化剂搅拌吸附的），以及每隔一段时间所取得样品。

然后按下表格进行计算得出各个取样点的C/C₀ 和ln（C₀/C）其中C₀就是0 min 时的浓度。（吸附率= C₀/初始染料浓度）

然后作图，按照横坐标-时间，纵坐标-降解率（C/C₀）进行作图，这个图就是降解动力学图。还要计算出反应速率常数，怎么算呢？也是横坐标-时间，纵坐标-变为In（C₀/C），然后直线拟合，拟合出的斜率就是一级反应速率常数了，光催化降解一般都是一级反应（单位是min^-或h^-）。

图二、光催化性能降解图

（a），一级动力学拟合图（b），循环使用性能图（c），pH影响图（d）的示例图。

后续表征

对光催化材料的表征有很多种，所以在你的材料具有确实的提升性能以后就可以开始着手进行表征了。

这里列举一些最基本的表征手段。

扫描电镜（SEM）：用来观察材料表面的微观形貌。

透射电镜（TEM）：用来观察材料的立体结构。

元素分析（EDS）:这个是在做扫描或透射的时候一起做的（需要加钱），可以知道你的材料表面的元素分布。

比表面积测试（BET）：用来测试材料的比表面积，一般来说比表面积越大，性能越好

紫外可见漫反射（DRS）：用来测材料在各个波长的光吸收性能，俗称固体紫外。

固体荧光（PL）：这个也是光催化剂里必备的光电测试之一，大部分观点认为固体荧光强度越低，说明光生载流子分离越好(也有强度越高，性能更好的，例如某些缺陷类材料)。

光电流测试：利用电化学工作站，测量光照时产生的电流，该实验有专门的实验方法（此实验有点复杂，后续补充）

化学阻抗谱：也是利用电化学工作站进行测试（后续补充）

图三、光电流图

（c）与化学阻抗谱（d）（如何进行相关实验后续再做补充）

红外光谱、拉曼光谱：用于化学结构的分析

X射线衍射（XRD）：用于晶体结构的分析

还有其他表征手段根据需要证明的结论不同而做出选择，后续再补充。

辅助实验

循环评价实验：就是观察催化剂可重复使用性能，一般分为两种，一种是降解完后分离出催化剂，然后再投入到新的污水中。第二种是降解完后不分离出催化剂，直接往催化剂处理过的水中再加入高浓度污染物。

自由基捕获实验：用于判断降解过程中具体是哪些中间活性物质在起作用，一般论文里都认为降解的主要活性物质有三种，分别是超氧自由基、羟基自由基、空穴，分别可以在降解的过程中加入对苯醌（超氧自由基猝灭剂），异丙醇（羟基自由基猝灭），EDTA-2Na（空穴猝灭）。加入哪种猝灭剂后，若对比未加猝灭剂只加催化剂的空白组，降解率有所下降，那就说明是哪种中间物质起到了作用。

图四、

加入三种猝灭剂后，通过降解率的下降来判断出具有哪些中间物质，其中三个都下降了，那就是三种都有，但不是说活性物质只有羟基自由基、超氧自由基，空穴三种，而是这三种是主要的活性物质而且大部分文章里都是探讨的这三种。

pH 的影响：pH 会影响材料的表面电荷（可以通过Zeta电位测出），从而使材料的吸附性能改变，从而改变光催化性能，而且有些物质在不同pH下的降解难以程度也会不一样。

具体采购方案

氙灯

一套功率300 w 的价格大概在600-800 左右，有点小贵，但相对专业一些。

汞灯

使用时注意放在避光罩里面反应，不然晒黑警告哦。

遮光罩（摄影灯罩）

光催化反应器（冷凝套杯）

光功率计

记住要买单位是w/cm² 而不是dB或是Lux的！

以上仅个人经验分享，若有补充，欢迎讨论！！

本文由137亿年供稿。

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