CN100573102C - 一种荧光光度法检测光自洁材料光催化性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种荧光分光光度法光检测光自洁材料和表面涂敷纳米TiO₂薄膜材料的光催化活性能的方法。具体步骤如下：①截取面积10～50cm²的光自洁材料，放入反应器；②倒入反应器中有机化合物水溶液，取出2mL，测定未经光照射时的溶液荧光强度；③打开紫外灯，然后每隔10min取样2mL，按上述荧光条件检测溶液的荧光强度4～6次；④以溶液的荧光强度对光照时间作图，为一直线，该直线的斜率K的绝对值越大则表明待测的光自洁材料光催化氧化能力越强。本发明的主要优越性在于该检测方法具有灵敏度高、准确性好、快捷简便、可用于各种光自洁材料的光催化性能的测试。

Description

一种荧光光度法检测光自洁材料光催化性能的方法

技术领域

本发明涉及一种光自洁材料性能的快速检测方法。特别涉及一种通过在紫外光照，荧光分光光度法光检测光自洁材料和表面涂敷纳米TiO₂薄膜材料的光催化活性能的方法。

技术背景

光自洁材料是在阳光或紫外光的照射下，具有自我清洁功能的一大类材料的总称。它们的自我清洁能力主要来源于其表面纳米光催化剂薄膜(一般为纳米TiO₂)所具有的光催化性和两亲性(亲水性与亲油性)。其表面的纳米TiO₂在光的作用下，与空气中的O₂或微量水反应生成·OH、·O₂ ^-、·OOH等一系列氧化能力极强的含氧自由基，能从空气(或水)中祛除有毒有害污染物以及能在大气条件下除臭、防污和杀菌。另外，在一般情况下，纳米TiO₂薄膜具有很强的憎水性，与水的接触角大于160°；而在光照射下则具有超亲水性，与水的接触角小于10°。因此涂有纳米TiO₂薄层的自洁材料，在阴雨天时通过雨水的流动能将其表面的污染物自动冲走；而在晴天则能自动将有机污染物分解成无害的CO₂与H₂O。

近年来，以TiO₂为活性成分的光自洁材料得到了迅猛发展，人们利用它们来抗菌、除臭、防雾、自清洁和净化室内空气。如已利用光催化材料制成具有分解汽车有害尾气和具有自清洁功能的高速公路隔音板；防雾、自清洁浴室用和汽车用玻璃；自清洁照明路灯；冷藏运输车内的除臭剂；建筑外墙和医院等公共场所用的光自洁陶瓷。光自洁材料的潜在市场巨大。

在光自洁产品的开发、研制、生产、销售和使用过程中，均离不开对光自洁材料的品质检测和评价。目前检测光自洁材料性能的方法，主要是检测其表面起作用的一层含光催化活性薄膜(一般为纳米TiO₂)的性能：在紫外光照射下，纳米TiO₂膜光催化氧化(或还原)某些有机化合物的能力以及其自身的光致超亲水性，如直接光降解染料法、硬脂酸法和测亲水角法等。

直接光降解染料法利用自洁材料光降解染料的速率快慢来表示自洁材料性能。张敬畅，胡博等(专利申请号：200310121176.4)利用此原理提出一种适用于检测自洁净玻璃性能的分析方法：在密闭容器内，一定强度紫外光照射下，利用光自洁玻璃对10～100ppm，pH在7～12的甲基橙或甲基红等偶氮染料溶液的光催化降解速率的快慢，来判断其自洁性能的好坏。硬脂酸法是在光自洁材料表面先涂硬脂酸薄层，然后在一定强度的光照射下，自洁材料表层的纳米TiO₂将硬脂酸分解生成CO₂和H₂O，利用红外分光光度法或气相色谱法检测生成的气态CO₂的量或测定在2500～3000cm^-1范围内碳-氢键的伸缩振动吸收值随光照时间的变化情况，来间接检测材料的光自洁能力。测亲水角法则是利用自洁材料光致超亲水性，检测待测材料自身的亲水角随光照时间的减小速率及最终亲水角的大小来表征材料的光自洁能力。赵修建，徐麟等(专利申请号：200410061082.7)采用静止液滴的方法，在黑暗条件下，利用接触角仪测量经清洗、干燥、静置、光照处理的光自洁玻璃试样表面水滴形成的接触角，以衡量该光自洁玻璃的光诱导超亲水性。以上这些方法均存在耗时长、灵敏度低等缺点。因此，亟待开发光自洁材料的快速检测方法。本发明即是提供一种快速检测光自洁材料的灵敏方法，这种方法目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术耗时长、灵敏度低等缺点，提供一种简便的检测光自洁玻璃、光自洁陶瓷、光自洁塑料等多种光自洁材料和表面涂敷的纳米TiO₂薄膜所具有的光催化活性的方法。该方法是在反应容器内，将一定有效面积的光自洁材料浸泡在一定量适当浓度和pH值的有机化合物溶液中，在一定强度紫外光照射下，用荧光分光光度计测定这些有机化合物的荧光强度下降速率或荧光强度升高速率，从而检测该光自洁材料的光催化活性。

本发明是一种检测光自洁材料和表面涂敷纳米TiO₂薄膜材料的光催化活性能的方法，其具体步骤如下：

①截取面积10～50cm²的光自洁材料，洗净、烘干，平铺于反应器底部；

②用蒸馏水将自身能发荧光且在水中有一定溶解能力的物质或者是自身不能发荧光，但与·OH反应产物能发荧光的有机化合物质配成1×10^-5～1×10^-3mol/L的水溶液，用硫酸或硝酸调pH值至pH＝2～6；有机化合物水溶液的用量按0.5mL～2mL/1cm²光自洁材料的面积加入，取2mL的上述配好的有机化合物水溶液，在荧光检测的条件下，测定未经光照射时的溶液荧光强度后与其余有机化合物水溶液一起倒入反应器中；

③打开紫外灯，调整紫外灯高度以满足对紫外光照射强度的要求，开始计时后，每隔10min取样2mL，采用步骤②同样的荧光条件检测溶液的荧光强度，然后将所取溶液倒回反应器，重复检测4～6次；

④以溶液的荧光强度对光照时间作图，为一直线，该直线的斜率K的绝对值越大则表明待测的光自洁材料光催化氧化能力越强，即可用该直线斜率K的绝对值的大小来检测光自洁材料的光自洁能力。

步骤①所指的光自洁材料是：光自洁玻璃、光自洁陶瓷以及经TiO₂光自洁涂料所喷涂或涂覆的玻璃、不锈钢、铝合金、塑料；所指的反应容器是敞口的培养皿、结晶皿、烧杯或带石英盖子的平底容器；

步骤②所指的有机化合物是：自身能发荧光且在水中有一定溶解能力的物质，如罗丹明B，罗丹明6G，8-羟基喹啉铝络合物或8-羟基喹啉镁的络合物等；或者是自身不能发荧光，但与·OH反应产物能发荧光的物质，如香豆素等；所指的荧光检测条件是指：将激发波长、荧光发射波长、狭缝宽度及灵敏度调节到检测灵敏度达到最大，每组实验所选荧光条件相同。

步骤③所指的紫外灯，其使用的光波长为250nm～400nm(一般用λmax＝254nm的紫外灯)，通过选择紫外灯的功率以及调节紫外灯与溶液液面的距离，控制紫外光强为：0.1～10mW/cm²，最好为0.5～5mW/cm²。

步骤④所指的K，K＝荧光强度/光照时间。

对上述某一固定条件下，若已知某光自洁材料的光自洁能力，则可利用该法测出其对应的评价系数K，而对于未知样品，只要测出其相应的评价系数K即可与已知光自洁材料作对比，通过K值的对比，K的绝对值越大则表明待测的光自洁材料光催化氧化能力越强，即可知该未知光自洁材料的光催化活性是已知材料活性的多少倍。

本发明的主要优越性在于该检测方法具有灵敏度高、准确性好、快捷简便、可用于各种光自洁材料的光催化性能的测试。该方法可作为光自洁材料的生产、使用和研发单位的一种快速检测产品质量方法之一。

附图说明

图1光自洁材料浸泡在香豆素水溶液中时溶液的荧光光谱随光照时间的变化。横坐标：波长(nm)；纵坐标：荧光强度

图2最大荧光波长(λ＝456nm)处荧光强度随光照时间变化的直线图。香豆素：1.0×10^-3mol/L，pH＝3；1.0min，2.10min，3.20min，4.30min，5.40min；横坐标：光照时间(min)，纵坐标：荧光强度

图3实施例1所描述方法检测4种光自洁材料性能的试验结果。

横坐标：光照时间(min)，纵坐标：荧光强度

1.自洁玻璃D，2.自洁玻璃C，3.自洁玻璃B，4.自洁玻璃A

具体实施方式：

例1：将4种商用光自洁玻璃：A、B、C、D截成4×3cm²的小块。每种光自洁玻璃各取2片(24cm²)分别平放于直径为9cm的培养皿(简易反应器)中，将此反应器置于9W紫外灯(λmax＝254nm)正下方(距离20cm)，加入20mL香豆素(1.0×10^-3mol/L，pH＝3)，打开光源，光催化氧化香豆素。每隔10min取出2mL溶液用荧光分光光度计在激发波长为346nm，荧光波长为456nm处检测溶液的荧光强度(狭缝宽度：Ex，Em：5nm；灵敏度：high)。重复4次。分别将这4种光自洁玻璃在上述条件下测得的荧光强度对其光照时间作图，见附图2，均为一直线；但这些直线的斜率K各不相同，由其大小可知，这4种光自洁玻璃的光催化活性大小顺序为：A＞B＞C＞D。

例2：将4种商用光自洁玻璃：A、B、C、D截成4×3cm²的小块。每种光自洁玻璃各取2片(24cm²)分别平放于直径为9cm的培养皿(简易反应器)中，将此反应器置于9W紫外灯(λmax＝254nm)正下方(距离15cm)，加入30mL罗丹明B(5.0×10^-4mol/L，pH＝6)，打开光源，光催化降解罗丹明B。每隔10min取出2mL溶液用荧光分光光度计在激发波长为550nm，荧光波长为573nm处检测溶液的荧光强度(狭缝宽度：Ex，Em：5nm；灵敏度：high)。重复4次。分别将这4种光自洁玻璃在上述条件下测得的荧光强度对其光照时间作图，均为一直线；但这些直线的斜率K各不相同，由其大小可知，这4种光自洁玻璃的光催化活性大小顺序为：A＞B＞C＞D。

例3：将3种商用光自洁陶瓷：E、F、G截成3×3cm²的小块。每种各取4片(36cm²)分别平放于直径为9cm的培养皿(简易反应器)中，将此反应器置于9W紫外灯(λmax＝254nm)正下方(距离15cm)，加入50mL 8-羟基喹啉铝(2.0×10^-4mol/L，pH＝4)，打开光源，光催化降解8-羟基喹啉铝。每隔10min取出2mL溶液用荧光分光光度计在激发波长为360nm，荧光波长为500nm处检测溶液的荧光强度(狭缝宽度：Ex，Em：10nm；灵敏度：mid)。重复4次。分别将这3种光自洁陶瓷在上述条件下测得的荧光强度对光照时间作图，均为一直线，这些直线的斜率各不相同，由其大小可知，3种光自洁陶瓷的光催化活性大小顺序为：E＞F＞G。

Claims (2)

1.一种检测光自洁材料和表面涂敷纳米TiO₂薄膜材料的光催化活性能的方法，其具体步骤如下：

①截取面积10～50cm²的光自洁材料，洗净、烘干，平铺于反应器底部；

②用蒸馏水将自身能发荧光且在水中有一定溶解能力的物质或者是自身不能发荧光，但与·OH反应产物能发荧光的有机化合物质配成1×10^-5～1×10^-3mol/L的水溶液，用硫酸或硝酸调pH值至pH＝2～6；有机化合物水溶液的用量按0.5mL～2mL/1cm²光自洁材料的面积加入，取2mL的上述配好的有机化合物水溶液，在荧光检测的条件下，测定未经光照射时的溶液荧光强度后与其余有机化合物水溶液一起倒入反应器中；

③打开紫外灯，调整紫外灯高度以满足对紫外光照射强度的要求，开始计时后，每隔10min取样2mL，采用步骤②同样的荧光条件检测溶液的荧光强度，然后将所取溶液倒回反应器，重复检测4～6次；

④以溶液的荧光强度对光照时间作图，为一直线，该直线的斜率K的绝对值越大则表明待测的光自洁材料光催化氧化能力越强。

2.按照权利要求1所述的方法，其中步骤①所指的光自洁材料是：光自洁玻璃、光自洁陶瓷以及经TiO₂光自洁涂料所喷涂或涂覆的玻璃、不锈钢、铝合金、塑料；所指的反应容器是敞口的培养皿、结晶皿、烧杯或带石英盖子的平底容器；

步骤②所指的有机化合物是：罗丹明B，罗丹明6G，8-羟基喹啉铝络合物，8-羟基喹啉镁络合物或香豆素之一；

所指的荧光检测条件是指：将激发波长、荧光发射波长、狭缝宽度及灵敏度调节到检测灵敏度达到最大，每组实验所选荧光条件相同；

步骤③所指的紫外灯，其使用的光波长为250nm～400nm，通过选择紫外灯的功率以及调节紫外灯与溶液液面的距离，控制紫外光强为：0.1～10mW/cm²；

步骤④所指的K是：荧光强度/光照时间＝K。

Images