阅读说明：本技术 一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法 (Method for testing photocatalytic effect of titanium dioxide composite material ) 是由 刘婷 王巍 李铸铁 谢景洋 张晓辰 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光催化测试分析技术领域,尤其涉及一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法。是基于密度泛函理论计算材料的禁带宽度值、探针分子的吸附能量值参数；依据上述参数定性判断材料的光催化等级的方法。本发明可实现多种二氧化钛复合材料光催化效果的快速评价,有助于节约实验时间、减少实验成本,进而预测新型二氧化钛复合材料的光催化效果,从而推进光催化材料的研究与应用。(The invention relates to the technical field of photocatalytic test analysis, in particular to a method for testing the photocatalytic effect of a titanium dioxide composite material. Calculating parameters of forbidden band width value of the material and adsorption energy value of probe molecules based on a density functional theory; and (3) qualitatively judging the photocatalytic grade of the material according to the parameters. The method can realize the rapid evaluation of the photocatalytic effect of various titanium dioxide composite materials, is beneficial to saving the experimental time and reducing the experimental cost, and further predicts the photocatalytic effect of the novel titanium dioxide composite material, thereby promoting the research and application of the photocatalytic material.)

一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法

技术领域

本发明涉及光催化测试分析技术领域，尤其涉及一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法。

背景技术

由于具有优异的光催化性能和化学稳定性，二氧化钛(TiO₂)已成为用于去除有机污染物研究中最广泛使用的光催化材料。为克服光催化效率不高、材料易中毒失活、材料产生二次污染等问题，复合型TiO₂光催化材料被大量研究。以二氧化钛材料为基础，构筑与碳材料、聚合物或半导体等材料的复合物，是加强二氧化钛光吸收性能的有效途径。两种或多种材料具有匹配能级，可有效的分离电子和空穴，有利于电子的转移，有效的抑制电子和空穴的复合，从而使复合材料表现出更优良的光催化性能。

光催化效果的研究大多是建立在宏观尺度上的实验测试方法，可实现对二氧化钛复合材料的光催化性能的评估，但从材料的制备到测试完成，研究周期长、成本高，无法实现材料光催化性能的预测与新材料的设计改进。量子化学以量子力学为原理，研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱。特别是随着计算机性能的提高和计算速度的加快，密度泛函理论的建立和发展，使得量子化学得到了突破性的发展，并使它成为研究物质微观结构的通用工具。从小分子化合物到固体再到固体表面，对不同大小、尺寸、维度的物质，基于密度泛函理论的量子化学可以进行十分准确的相关性质计算，并进行分子、材料的合理设计、物性预测以及作用机理研究等，在材料的宏观和微观特性之间架起一座桥梁。可为我们构建新型二氧化钛复合材料模型和快速筛选高性能催化材料奠定基础，为光催化复合材料的优化设计和产业化开发提供科学依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是复合型TiO₂光催化材料光催化效果的研究大多是建立在宏观尺度上的实验测试方法，可实现光催化性能的评估，但从材料的制备到测试完成，研究周期长、成本高，无法实现材料光催化性能的预测与新材料的设计改进。

为解决上述问题，本发明提供了一种计算机辅助测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法，可实现二氧化钛复合光催化材料催化效果的快速评估和针对性测量，为加快新型二氧化钛复合光催化材料的开发、实现多种二氧化钛复合材料光催化效果的快速评价提供了可行的方案。

为达到上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法，其中定性评估方法包括：基于密度泛函理论计算材料的禁带宽度值、探针分子的吸附能量值参数；依据上述参数定性判断材料的光催化等级。

进一步的，计算参数前建立二氧化钛复合材料活性表面及探针分子的仿真模型。

进一步的，所述二氧化钛复合材料活性表面是以金红石型TiO₂(110)、锐钛矿型TiO₂(101)表面为载体的活性表面，所述二氧化钛复合材料活性表面的晶胞结构尺寸为2×2或4×2，所述探针分子为甲醛、乙醛或氮氧化物小分子污染物。

进一步的，所述材料的禁带宽度计算值E_g的计算公式为：

E_g＝E_CB-E_VB

其中，E_CB为复合表面低能价带顶的能量值；E_VB为复合表面高能导带底的能量值。

E_CB、E_VB是通过MaterialsStudio软件包的CASTEP模块计算求得；

为验证计算方法的可靠性，采用α因子进行计算值与实验测试值的对比。α取值范围在1.0～1.2之间，则证明计算值可用于二氧化钛复合材料光催化性能的定量评估。

α＝E′_g/E_g

其中，α因子为复合表面的相互作用修正系数，E′_g为材料禁带宽度的实验值，E_g为材料禁带宽度的计算值。

禁带宽度实验值E′_g的实验测试过程为利用复合材料在紫外可见漫反射测量中的吸光度与波长作图，采用截线法作出吸收波长阈值λ_g(nm)，再通过公式E_g＝1240/λ_g(eV)求得。

进一步的，所述探针分子的吸附能量值E_adsorp的计算公式为：

E_adsorp＝E_total-E_surface-E_{probemolecule}

其中，E_total为复合体系的总能量；E_surface为复合表面总能量；E_{probemolecule}为探针分子的能量。E_total、E_surface、E_{probemolecule}是通过“MaterialsStudio软件包”计算求得。

进一步的，依据材料的禁带宽度值划分光响应范围，再依据探针分子的吸附能量值定性判断材料的光催化等级。

进一步的，依据材料的禁带宽度值大小划分光响应范围，E_g值越小，则吸光范围越广，以紫外和可见光的波长分界线400nm，即材料的禁带宽度值3.1eV为界，E_g值小于3.1eV，则将材料划分到可见光区响应范围；E_g值大于3.1eV，则将材料划分到紫外光区响应范围；再依据探针分子的吸附能量值定性判断材料的光催化等级，所述光催化等级分为A类和B类，吸附能量值越大，则光催化反应活性越高，吸附能量值大于1.0eV，光催化等级判定为A类，吸附能量值小于1.0eV，光催化等级判定为B类。

进一步的，定量评估方法包括：在定性评估后，制备二氧化钛复合材料试样，进行光催化降解反应，通过紫外光谱仪记录反应前后探针分子的浓度；求解二氧化钛复合材料光催化去除率。

进一步的，所述制备二氧化钛复合材料试样包括试样的制备、预处理、装载三个步骤；将将试样置于光催化反应器，设定光催化反应器的反应条件，进行光催化降解反应；其中，所述反应条件包括温度、湿度、光照波长、光照强度、探针分子浓度及气体流量的设定。

进一步的，所述光催化去除率P的计算公式为：

其中，C_A为反应前探针分子的浓度；C_B为反应稳定后探针分子的浓度。

本发明的有益效果在于：

1)提供了一种用于测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法，可实现多种二氧化钛复合材料光催化效果的快速评价，定性与定量测试相结合，缩短测试评价时间，并大幅缩减复合材料的制备成本。

2)本发明提供的用于测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法，将光催化材料的理论研究与实验测试相结合，采用理论指导实验的方式，不仅可以探明二氧化钛复合材料光催化机理，实现新型复合材料光催化性能的预测，还可对二氧化钛光催化材料的研究与应用起到一定的推动作用。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是实施例1中石墨烯/二氧化钛复合材料活性表面G-Rutile(110)的仿真模型；

图3是实施例1中探针分子甲醛(CH₂O)的仿真模型；

图4是实施例1中石墨烯/二氧化钛复合材料的紫外-可见吸收光谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种测试二氧化钛复合材料光催化效果的方法，包括以下步骤：

(1)建立石墨烯/二氧化钛复合材料的活性表面及探针分子甲醛(CH₂O)的仿真模型；其中，如图2所示，石墨烯/二氧化钛复合材料活性表面是以金红石型TiO₂(110)表面为载体的活性表面G-Rutile(110)，所述二氧化钛复合材料活性表面的晶胞结构尺寸为(4×2)；如图3所示，所述探针分子为甲醛分子污染物。

(2)基于密度泛函理论，采用MaterialsStudio软件包CASTEP模块的广义梯度近似Generalizedgradientapproximations(GGA)、自旋极化Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函，钛原子的3d电子的U值设置为8.5eV，函数截断能设置为340eV，Monkhorst-PackK点设置为2×2×1，计算复合材料的禁带宽度值、探针分子的吸附能量值参数；其中，

所述材料的禁带宽度值E_g的计算公式为：

E_g＝E_CB-E_VB

其中，E_CB为复合表面低能价带顶的能量值；E_VB为复合表面高能导带底的能量值，经计算，所述材料的禁带宽度值计算值为2.72eV。

采用紫外可见漫反射UV-VisDRS实验方法测试石墨烯/二氧化钛复合材料的紫外-可见吸收光谱，如图4所示，将吸光度与波长作图，吸收光谱红移，得出吸收波长阈值λ_g(nm)为446nm，通过公式E_g＝1240/λ_g(eV)求得禁带宽度实验值为2.78eV。利用公式

α＝E′_g/E_g

求得复合表面的相互作用修正系数α的取值为1.02，取值范围在1.0～1.2之间，说明此计算值可靠准确；

所述探针分子的吸附能量值E_adsorp的计算公式为：

E_adsorp＝E_total-E_surface-E_{probemolecule}

其中，E_total为复合体系的总能量；E_surface为复合表面总能量；E_{probemolecule}为探针分子的能量。经计算，所述探针分子的吸附能量值E_adsorp为0.21eV。

(3)依据材料的禁带宽度值划分光响应范围，再依据探针分子的吸附能量值定性判断材料的光催化等级；其中，所述石墨烯/二氧化钛复合材料，实验测试和理论计算的禁带宽度值分别为2.78eV和2.72eV，两者基本一致，即材料的禁带宽度E_g值小于3.1eV，则将材料划分到可见光区响应范围；所述光催化等级划分为B类。

(4)定量评估复合材料的光催化效果，制备石墨烯/二氧化钛复合材料试样，将试样置于光催化反应器；其中，制备石墨烯/二氧化钛复合材料试样，包括试样的制备、预处理、装载三个步骤。

(5)设定光催化反应器的反应条件，进行光催化降解反应，通过紫外光谱仪记录反应前后探针分子的浓度；其中反应条件为温度23℃±0.5℃、湿度30％RH±2％RH、光照波长450-650nm、光照强度1.5mW/cm²±0.05W/cm²、探针分子浓度25ml/m³及气体流量400ml/min。

(6)求解二氧化钛复合材料光催化去除率；其中，所述光催化去除率P的计算公式为：

其中，C_A为反应前探针分子的浓度；C_B为反应稳定后探针分子的浓度。经计算，石墨烯/二氧化钛复合材料在光催化反应进行120min后，甲醛分子的去除率达78.9％。自此，完成对该石墨烯/二氧化钛复合材料光催化效果的定性和定量测试。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于此发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的任何改进也视为本发明的保护范围。