仪器分析课学习心得

仪器分析课学习心得现代仪器分析在复合光催化剂制备中的应用

摘要：本文简单介绍了分析化学的一个重要分支，即现代仪器分析在高科技中的地位和作用,指出高科技发展有力的促进现代仪器产生质的飞跃。着重介绍了现代仪器分析在复合光催化剂制备中的应用，例如：XRD,BET,SEM,和XPS这几种主要的测试和表征方法。

关键词：现代仪器分析；复合光催化剂；制备；测试和表征方法。

现代仪器分析为现代分析化学奠定了雄厚的学科理论基础信息理论,使现代仪器分析已经成为分析化学极其重要的组成部分，现代仪器分析所采用的分析仪器是化学、光学、电学、磁学、机械及计算机科学等现代科学综合发展的产物，仪器本身就是科学技术水平的标志。若能充分利用现代仪器分析方法和技术, 就能更加全面、准确地认识物质世界, 进一步促进科学技术向纵深发展[1]。

一.现代分析仪器的发展及发展趋向

现代仪器分析是在化学分析的基础上逐步发展起来的一类分析方法，现代分析仪器对科技领域的发展起着关键作用,一方面科技领域对分析仪器不断提出更高的要求,另一方面随着科学技术的飞速发展,新材料、新器件不断涌现又大大推动了分析仪器的快速更新,同时为仪器分析中老方法的不断更新、新方法的不断建立提供了物质和技术基础,大大地促进了现代仪器分析的快速发展。现代分析仪器的发展趋向主要有以下特点:向多功能化、自动化和智能化方向发展，向专用型和微型化方向发展，向多维分析仪器方向发展，向联用分析仪器方向发展。仪器分析的最主要的功能是人类五官感触的延伸，人类智慧利用了光、电和磁的物理特性通过物理和化学手段将微小的物理量放大，而获得感知小型化集成化（芯片）、多功能化（联用技术）和高稳定、高灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界。20 世纪 70 年代中期首先出现了二维气相色谱技术,70 年代后期迅速发展了二维质谱技术和二维核磁共振波谱技术[2]。二维气相色谱技术可使用一种流动相在两根串联的色谱柱上对组成复杂的样品实现完全分离:二维质谱技术可

同时提供强的碎片离子峰和强的分子离子峰,从而获得完整的结构信息;二维核磁共振波谱技术可提供固体物质、生物大分子的三维结构,显示原子核在样品中分布的立体图像。由上述分析仪器的发展和发展趋向 ,可知现代分析仪器是一种高科技产品,它综合采用了各种技术的最新成果,在不断创新与自身发展的同时,又为各个科技领域的研究和发展提供有力的手段和重要的信息[3]。

二.现代仪器分析的内容和分类

现代仪器分析方法内容丰富，种类繁多，每种方法都有相对独立的物理及物理化学原理，现已有三四十种，新的方法还在不断地出现。为了便于学习和掌握，根据测量原理和信号特点，大致分为电化学分析法、色谱分析法、质谱分析法，光化学分析法和其他仪器分析法几类。

1）电化学分析仪器：根据氧化还原电极电位鉴别样品的阴、阳离子的形态含量和活度．如电位滴定仪、pH计、极谱仪等。

2）热学式分析仪器：根据热力学平衡原理，测定物质热交换量．如热分析仪等。

3）磁学式分析仪器：利用原子核在磁场作用下产生共振吸收定性、定量鉴定物质的结构组成。如核磁共振波谱仪。

4）光学式分析仪器：利用物质对光吸收的选择性和发射光的特殊性分析物质的结构及组成。如紫外--可见光分光光度计、荧光光度计、火馅光度计及原子吸收分光光度计等。

5）射线式分析仪器：根振X射线穿透性的原理，测定物质的结构及组成，如X射线分析仪。

6）色谱类分折仪器：利用各物质组分在流动相和固定相之间交换、分配、吸附等作用的差异，达到分离鉴定的目的．如薄层色谱仪、气相色谱仪、液相色谱仪等。

7）电子光学和离子光学式分析仪器：在特定的物理环境中通过对被电离物质荷质比的分析，来鉴定物质的结构组成．如电子探针仪、质谱仪。

8）物性测定仪器：根据物理特性及方法，检测物质的组成和性质．如温度测定仪、水分测定仪、粘度计、比重仪等。

9）其它专用型和多用型仪器：利用化学测定方法，通过仪器完成各阶段的

测定步骤。如蛋白质含量测定仪、脂肪含量测定仪、流动注射仪。

从分析仪器功能来看，一是为了确定物质中的结构与组成；二是利用相关技术对物质中各组成实行分离(如色谱技术)．有的兼有两种功能，对一些复杂的物质分析常需要多种技术相结合．如色谱—质谱联机、色谱--红外联机、毛细管电泳--质谱联机。

三.现代仪器分析在复合光催化剂制备中的应用

自1972年Fujishima A等发现锐钛矿型TiO2的光催化性能以来，TiO2在光催

因其特殊的光学和电子特性、良好的化学稳化方面的研究和应用备受关注。TiO

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定性、无毒性和低成本，在纺织领域成为降解染料及助剂、制备抗菌及抗紫外纺

的禁带宽度为3.2eV左右，通常需要在紫外光(100～织品的一种理想材料。但TiO

2

400nm)照射下才能激发产生光生电子和空穴，从而限制了其在自然光下的应用[4]。

的光响应效果拓展到可见光范围(400～780nm)，极大地提升其光催因此，将TiO

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化效率，已经成为近年来国内外光催化研究的主要方向和热点。

目前，通常采用金属离子掺杂、贵金属沉淀、表面光敏化、非金属掺杂、半导体复合等方法来制备可见光响应型光催化材料。但通过以上方法向催化剂中掺入某些有色离子，将导致催化剂在使用过程中产生二次污染、影响基材颜色等问题。为此，解决光催化剂的“显色”问题也十分重要[5]。

由于本人研究生期间将从事复合光催化剂的制备，并对其性能及感光效率等方面进行测试和表征，因而在此着重介绍在整个实验测试过程中将使用的一些方法，例如：XRD,BET,SEM,和XPS[6]。

1.XRD介绍：

特征X射线及其衍射X射线是一种波长很短(约为20～0.06 nm)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(10^-8cm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的

科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将会发生衍射；衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上增强、而在其它方向上减弱；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随后为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格定律：

2d sinθ=nλ，式中，λ为X射线的波长，衍射的级数n为任何正整数。

当X射线以掠角θ(入射角的余角，又称为布拉格角)入射到某一具有d点阵平面间距的原子面上时,在满足布拉格方程时，会在反射方向上获得一组因叠加而加强的衍射线。

通过XRD可以测试出复合光催化剂在不同的煅烧温度下晶型所发生的变化，从而在实验的过程中控制温度在一个合适的范围内，使得光催化剂处于一个最有利的晶型状态[7]。

2.BET介绍：

BET吸附等温式是在Langmuir吸附理论基础上建立发展起来的，主要基于两点假设：⑴物理吸附为分子间力，被吸附的分子与气相分子之间仍存在此种力，因而可发生多层吸附，但第一层的吸附与以后的多层吸附不同，后者与气体的凝聚类似；⑵吸附达到平衡时，每吸附层上的蒸发速度与凝聚速度相等，因此能够对每层写出相应的吸附平衡式[8]。

较大的比表面积可使表面原子数增加，无序度增加，键态严重失配，出现多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表现出非化学平衡和非整数配位的化学价，可促进光催化反应的进行。灼烧前样品的比表面积比灼烧后样品的比表面积大，这是因为所制TiO2纳米粒子的尺寸较小，灼烧过程中，发生颗粒内的致密化(初始晶粒之间的孔坍塌或消失)和颗粒间的合并；同时由于所制TiO2纳米粒子洗涤充分，表面活性剂在晶粒表面无吸附，不能有效的防止TiO2颗粒在灼烧过程中的团聚。

N2吸附-脱附曲线(BET)是表征介孔材料结构的重要测试手段。根据BET测

试结果可以得到介孔材料BET比表面积、孔径分布、孔容和孔道类型等信息，从而为进一步分析介孔材料结构与性能的关系提供了更加详实的依据。

3.SEM介绍：

扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息;对X射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。

在复合光催化剂的制备过程中，采用SEM方法来观察光催化剂的颗粒间分散程度，有无大范围团聚现象，以及晶粒粒径和形状[9][10]。

4.XPS介绍：

X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱其主要应用：

1).元素的定性分析，可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He以外的所有元素；

2).元素的定量分析，根据能谱图中光电子谱线强度（光电子峰的面积）反应原子的含量或相对浓度；

3).固体表面分析，包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等；

4).化合物的结构，可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息；

5).分子生物学中的应用。

其中对于螺杆泵定子橡胶的检测中，将主要用到固体表面分析的技术。其技术特征：1.表面分析有很高的灵敏度；2.表面分析可以有效地从样品的大多数原子中分离出表面信号。通过X射线表面分析技术能够得到所需的特征信息，并还能回答其他重要的问题：

1).表面存在那种元素；

2).这些元素处于什么化学状态；

3).每种元素的每种化学态是多少；

4).在三维空间上材料的空间分布是什么样的；

5).若材料在表面上形成薄膜：a).薄膜的厚度是多大；b).厚度是否均匀；

c).薄膜的化学组分时候均匀[11][12]。

参考文献

[1] 董慧茹. 仪器分析[ M] . 北京: 化学工业出版社, 2000.

[2] 武汉大学化学系. 仪器分析[ M] . 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 朱明华. 仪器分析( 第 3 版) [ M] . 北京: 高等教育出版社, 2000.

[4]陈娜，程永清等.纳米TiO2光催化剂在抗菌方面的最新研究进展及应用

[5]张芳，邱建伟等.可见光响应型TiO2 光催化材料的制备及应用

[6]胡杰珍，邓培昌.卤族元素掺杂改性TiO2光催化剂研究进展

[7] 谭湘成. 仪器分析( 第 3 版) [ M] . 北京: 化学工业出版社, 2008.

[8] 黄一石. 仪器分析( 第 2 版) [ M] . 北京: 化学工业出版社, 2008.

[9] [日] 泉美治, 等. 仪器分析导论( 第2 版) [ M] .李春鸿, 刘振海译. 北京: 化学工业出版社,2005.

[10] [奥地利] 凯尔纳, 等. 分析化学[M] . 李克安,金钦汉, 等译. 北京: 北京大学出版社, 2001.

[11] 李继睿等. 仪器分析[M] . 北京: 化学工业出版社, 2010.

[12] 加里D·克里斯琴. 分析化学[M] .王今今, 张振宇译. 北京: 化学工业出版社, 1988.