1、儀器分析課學習心得現代儀器分析在復合光催化劑制備中的應用摘要：本文簡單介紹了分析化學的一個重要分支，即現代儀器分析在高科技中的地位和作用,指出高科技發展有力的促進現代儀器產生質的飛躍。著重介紹了現代儀器分析在復合光催化劑制備中的應用，例如：XRD,BET,SEM,和XPS這幾種主要的測試和表征方法。關鍵詞：現代儀器分析；復合光催化劑；制備；測試和表征方法。現代儀器分析為現代分析化學奠定了雄厚的學科理論基礎信息理論,使現代儀器分析已經成為分析化學極其重要的組成部分，現代儀器分析所采用的分析儀器是化學、光學、電學、磁學、機械及計算機科學等現代科學綜合發展的產物，儀器本身就是科學技術水平的標志。若能

2、充分利用現代儀器分析方法和技術, 就能更加全面、準確地認識物質世界, 進一步促進科學技術向縱深發展1。一.現代分析儀器的發展及發展趨向現代儀器分析是在化學分析的基礎上逐步發展起來的一類分析方法，現代分析儀器對科技領域的發展起著關鍵作用,一方面科技領域對分析儀器不斷提出更高的要求,另一方面隨著科學技術的飛速發展,新材料、新器件不斷涌現又大大推動了分析儀器的快速更新,同時為儀器分析中老方法的不斷更新、新方法的不斷建立提供了物質和技術基礎,大大地促進了現代儀器分析的快速發展。現代分析儀器的發展趨向主要有以下特點: 向多功能化、自動化和智能化方向發展，向專用型和微型化方向發展，向多維分析儀器方向發展，

3、向聯用分析儀器方向發展。儀器分析的最主要的功能是人類五官感觸的延伸，人類智慧利用了光、電和磁的物理特性通過物理和化學手段將微小的物理量放大，而獲得感知小型化集成化（芯片）、多功能化（聯用技術）和高穩定、高靈敏度檢測是儀器分析發展的最高境界。20 世紀 70 年代中期首先出現了二維氣相色譜技術,70 年代后期迅速發展了二維質譜技術和二維核磁共振波譜技術2。二維氣相色譜技術可使用一種流動相在兩根串聯的色譜柱上對組成復雜的樣品實現完全分離:二維質譜技術可同時提供強的碎片離子峰和強的分子離子峰,從而獲得完整的結構信息;二維核磁共振波譜技術可提供固體物質、生物大分子的三維結構,顯示原子核在樣品中分布的立

4、體圖像。由上述分析儀器的發展和發展趨向 ,可知現代分析儀器是一種高科技產品,它綜合采用了各種技術的最新成果,在不斷創新與自身發展的同時,又為各個科技領域的研究和發展提供有力的手段和重要的信息3。二.現代儀器分析的內容和分類現代儀器分析方法內容豐富，種類繁多，每種方法都有相對獨立的物理及物理化學原理，現已有三四十種，新的方法還在不斷地出現。為了便于學習和掌握，根據測量原理和信號特點，大致分為電化學分析法、色譜分析法、質譜分析法，光化學分析法和其他儀器分析法幾類。1）電化學分析儀器：根據氧化還原電極電位鑒別樣品的陰、陽離子的形態含量和活度如電位滴定儀、pH計、極譜儀等。2）熱學式分析儀器：根據熱力

5、學平衡原理，測定物質熱交換量如熱分析儀等。3）磁學式分析儀器：利用原子核在磁場作用下產生共振吸收定性、定量鑒定物質的結構組成。如核磁共振波譜儀。4）光學式分析儀器：利用物質對光吸收的選擇性和發射光的特殊性分析物質的結構及組成。如紫外-可見光分光光度計、熒光光度計、火餡光度計及原子吸收分光光度計等。5） 射線式分析儀器：根振X射線穿透性的原理，測定物質的結構及組成，如X射線分析儀。6） 色譜類分折儀器：利用各物質組分在流動相和固定相之間交換、分配、吸附等作用的差異，達到分離鑒定的目的如薄層色譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀等。7）電子光學和離子光學式分析儀器：在特定的物理環境中通過對被電離物質荷質比

6、的分析，來鑒定物質的結構組成如電子探針儀、質譜儀。8）物性測定儀器：根據物理特性及方法，檢測物質的組成和性質如溫度測定儀、水分測定儀、粘度計、比重儀等。9）其它專用型和多用型儀器：利用化學測定方法，通過儀器完成各階段的測定步驟。如蛋白質含量測定儀、脂肪含量測定儀、流動注射儀。從分析儀器功能來看，一是為了確定物質中的結構與組成；二是利用相關技術對物質中各組成實行分離(如色譜技術)有的兼有兩種功能，對一些復雜的物質分析常需要多種技術相結合如色譜質譜聯機、色譜-紅外聯機、毛細管電泳-質譜聯機。三.現代儀器分析在復合光催化劑制備中的應用自1972年Fujishima A等發現銳鈦礦型TiO2的光催化性

7、能以來，TiO2在光催化方面的研究和應用備受關注。TiO2因其特殊的光學和電子特性、良好的化學穩定性、無毒性和低成本，在紡織領域成為降解染料及助劑、制備抗菌及抗紫外紡織品的一種理想材料。但TiO2的禁帶寬度為3.2eV左右，通常需要在紫外光(100400nm)照射下才能激發產生光生電子和空穴，從而限制了其在自然光下的應用4。因此，將TiO2的光響應效果拓展到可見光范圍(400780nm)，極大地提升其光催化效率，已經成為近年來國內外光催化研究的主要方向和熱點。目前，通常采用金屬離子摻雜、貴金屬沉淀、表面光敏化、非金屬摻雜、半導體復合等方法來制備可見光響應型光催化材料。但通過以上方法向催化劑中摻

8、入某些有色離子，將導致催化劑在使用過程中產生二次污染、影響基材顏色等問題。為此，解決光催化劑的“顯色”問題也十分重要5。由于本人研究生期間將從事復合光催化劑的制備，并對其性能及感光效率等方面進行測試和表征，因而在此著重介紹在整個實驗測試過程中將使用的一些方法，例如：XRD,BET,SEM,和XPS6。1. XRD介紹：特征X射線及其衍射X射線是一種波長很短(約為200.06 nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中,包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標識）X射線。考慮到X射線的波長和晶體內部

9、原子間的距離(10-8cm)相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當一束X射線通過晶體時將會發生衍射；衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上增強、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨后為實驗所驗證。1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎上,不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構,并提出了作為晶體衍射基礎的著名公式布拉格定律：2d sin=n，式中，為X射線的波長，衍射的級數n為任何正整數。 當X射線以掠角(入射角的

10、余角，又稱為布拉格角)入射到某一具有d點陣平面間距的原子面上時,在滿足布拉格方程時，會在反射方向上獲得一組因疊加而加強的衍射線。通過XRD可以測試出復合光催化劑在不同的煅燒溫度下晶型所發生的變化，從而在實驗的過程中控制溫度在一個合適的范圍內，使得光催化劑處于一個最有利的晶型狀態7。2. BET介紹：BET吸附等溫式是在Langmuir吸附理論基礎上建立發展起來的，主要基于兩點假設：物理吸附為分子間力，被吸附的分子與氣相分子之間仍存在此種力，因而可發生多層吸附，但第一層的吸附與以后的多層吸附不同，后者與氣體的凝聚類似；吸附達到平衡時，每吸附層上的蒸發速度與凝聚速度相等，因此能夠對每層寫出相應的吸

11、附平衡式8。較大的比表面積可使表面原子數增加，無序度增加，鍵態嚴重失配，出現多活性中心，表面臺階和粗糙度增加，表現出非化學平衡和非整數配位的化學價，可促進光催化反應的進行。灼燒前樣品的比表面積比灼燒后樣品的比表面積大，這是因為所制TiO2納米粒子的尺寸較小，灼燒過程中，發生顆粒內的致密化(初始晶粒之間的孔坍塌或消失)和顆粒間的合并；同時由于所制TiO2納米粒子洗滌充分，表面活性劑在晶粒表面無吸附，不能有效的防止TiO2顆粒在灼燒過程中的團聚。N2吸附-脫附曲線(BET)是表征介孔材料結構的重要測試手段。根據BET測試結果可以得到介孔材料BET比表面積、孔徑分布、孔容和孔道類型等信息，從而為進一

12、步分析介孔材料結構與性能的關系提供了更加詳實的依據。3. SEM介紹：掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的人射電子轟擊物質表面時，被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動 (聲子)、電子振蕩 (等離子體)。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散

13、射電子的采集，可得到有關物質微觀形貌的信息;對X射線的采集，可得到物質化學成分的信息。正因如此，根據不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。 在復合光催化劑的制備過程中，采用SEM方法來觀察光催化劑的顆粒間分散程度，有無大范圍團聚現象，以及晶粒粒徑和形狀910。4. XPS介紹：X射線光電子能譜因對化學分析最有用，因此被稱為化學分析用電子能譜其主要應用：1).元素的定性分析，可以根據能譜圖中出現的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素；2).元素的定量分析，根據能譜圖中光電子譜線強度（光電子峰的面積）反應原子的含量或相對濃度；3).固體表面分析，包括表面的化學組成或元素組成，原子價

14、態，表面能態分布，測定表面電子的電子云分布和能級結構等；4).化合物的結構，可以對內層電子結合能的化學位移精確測量，提供化學鍵和電荷分布方面的信息；5).分子生物學中的應用。其中對于螺桿泵定子橡膠的檢測中，將主要用到固體表面分析的技術。其技術特征：1.表面分析有很高的靈敏度；2.表面分析可以有效地從樣品的大多數原子中分離出表面信號。通過X射線表面分析技術能夠得到所需的特征信息，并還能回答其他重要的問題：1).表面存在那種元素；2).這些元素處于什么化學狀態；3).每種元素的每種化學態是多少；4).在三維空間上材料的空間分布是什么樣的；5).若材料在表面上形成薄膜：a).薄膜的厚度是多大；b).厚度是否均勻；c).薄膜的化學組分時候均勻1112。參考文獻1 董慧茹. 儀器分析 M . 北京: 化學工業出版社, 2000.2 武漢大學化學系. 儀器分析 M . 北京: 高等教育出版社, 2001.3 朱明華. 儀器分析( 第 3 版) M . 北京: 高等教育出版社, 2000.4 陳娜，程永清 等.納米TiO2光催化劑在抗菌方面的最新研究進展及應用5 張芳，邱建偉 等.可見光響應型TiO2 光催化材料的制備及應用6 胡杰珍，鄧培昌.鹵族元素摻雜改性TiO2光催化劑研究進展7 譚湘成. 儀器分析( 第 3 版) M . 北京: 化學工業出版社, 2008.8 黃一石.