釩酸銀光催化劑的研究型實驗教學初探

孫建之， 董 巖

(德州學院 化學化工學院，山東 德州 253023)

0 引 言

實驗教學作為高等學校教育體系的重要組成部分，在培養學生動手能力、發現問題、分析問題和解決問題能力及創新意識等方面發揮著越來越重要的作用。化學作為一門以實驗為基礎的學科，尤其需要重視在實踐中檢驗理論，研究中創新知識。在強化應用型人才培養的今天，化學實驗教學更要體現學科專業的發展前沿、培養學生動手能力和創新意識，設計新的實驗項目為學生綜合素質的提高創造條件。因此，實驗教學的理念更新、實驗內容的設計、實驗教學的組織形式和考核辦法等，一直是近年來化學實驗教學研究和改革的主要方向。

研究型實驗教學是指學生針對實驗教師提出的問題，獨立設計實驗方案、確定實驗方法、獨立操作完成實驗的一種實驗教學模式[1-4]。要求以學生為主體，建立“引導—探索—實驗—掌握”的教學模式。使實驗教學的各個環節都能鍛煉學生的動手能力，激發學生的主觀能動性，突出學生主體地位。讓同學們在發現問題、提出問題、分析和解決問題的過程中學習。給同學們更多的思考機會和廣闊的思維空間，激發學生求異創新的愿望。顯然，研究型教學方法，符合創新性人才培養的要求，也是高等教育培養方式改革的必然途徑。

近年來，以半導體金屬氧化物為催化劑的光催化反應因具有活性高、降解徹底、可在常溫下降解和使用范圍廣等特點[5-8]，在降解環境污染物的研究中日益受到人們的關注[9-11]。Ag3VO4的低能價帶由Ag的4d10軌道和O的2p6軌道雜化組成，高能導帶由Ag的5 s軌道和V的3 d軌道雜化組成，由于雜化的價帶結構具有比單一O的2p6軌道更活躍的能級，因此禁帶寬度更窄，對光的響應范圍擴展至可見光區，是一種光催化分解有機物的優良催化劑[12-15]。

為了讓學生對光催化劑的制備和光催化性能有一個全面的認識，并鍛煉學生運用所學實驗技能的能力，我們在前期教學和研究的基礎上，設計了“釩酸銀光催化劑的制備與性能測試”的研究型教學實驗。該實驗涉及無機化學(釩酸銀的制備)、分析化學(分光光度法測定物質的濃度)、儀器分析( 紅外光譜儀、X-射線衍射儀、掃描電鏡)、物理化學(反應動力學方程的求解)等多種綜合實驗方法。可作為化學類專業的綜合化學實驗。

1 儀器與試劑

(1) 試劑。NaOH、V2O5、AgNO3、亞甲基藍、無水乙醇(以上均為分析純)、去離子水。

(2) 儀器。X-射線衍射儀、紅外光譜儀、掃描電鏡、真空干燥箱、管式氣氛爐、500 W氙燈、臺式高速離心機、紫外可見分光光度計等，均為化學實驗室的常用設備。

2 實驗內容的設計依據

我們將“釩酸銀光催化劑的制備與性能測試”引入研究型實驗教學，在實驗設計中我們主要考慮了如下幾個方面。

(1) 實驗設計體現綜合性和研究性。傳統的實驗只是完成一個或多個知識點的驗證，相互間的聯系不是很緊密。在學生已具備一定實驗知識和技能的基礎上，通過研究型實驗的訓練將各學科的理論知識和實驗技能融會貫通、綜合運用，學會根據實際問題而選擇和運用實驗方法和儀器，從而培養學生分析、解決實際問題的能力以及科研能力。本實驗既有書本知識的再現，也有新知識的產生，從而體現本實驗的內涵——綜合性和研究性。

(2) 實驗內容與生活科研緊密相關。化學實驗是一門以應用為目的、實踐性很強的課程，因此在設計實驗時，注重聯系實際，從而增強學生實驗的趣味性，達到提高綜合能力的訓練目的。光催化劑廣泛應用于抗菌材料、太陽能電池、廢水的降解處理等多個領域，與人們的生活緊密相關。傳統的TiO2光催化劑由于禁帶寬度較寬，光催化效果較差，為解決這一問題，人們對復合氧化物光催化劑進行了研究，新型高效光催化劑的設計與合成是當今光催化領域的研究熱點。

(3) 實驗原理具有典型性。沉淀法作為溫和條件下合成無機材料的重要方法，在軟化學合成中占有重要地位，廣泛用于制備納米材料、鐵電材料、功能陶瓷等材料。分光光度法是實驗室分析中最為經典的方法之一，因其操作簡單且成本低廉而被廣泛應用。因此實驗原理具有典型性，可以加深學生對相關方法基本原理的理解。

(4) 實驗可操作性強。通過教師的預實驗及教學實踐表明，此實驗目的明確，操作時間適中，絕大多數學生可以在規定的時間內完成本實驗。

3 實驗內容的設計

研究型實驗教學旨在使學生實現從書本知識到實驗設計、實施的銜接，提高學生的實驗素質，達到培養學生創新意識的目的。實驗設計大致包括以下6個步驟：① 查閱文獻、精讀文獻。精讀文獻時，帶著問題去探求、理解和總結，這一過程就是發現問題，分析問題的過程；② 列出所需試劑和儀器；③ 寫出實驗步驟。包括各種試劑的具體用量、如何量取、需要的時間等，步驟寫的越詳細越好。這一步就是分析問題，提出解決問題方案的過程；④ 優選實驗的影響因素。在列出影響實驗的各種因素的基礎上，選出影響實驗結果的主要因素，并確定各因素的水平數和水平點；⑤ 形成書面的實驗方案；⑥ 實驗方案的審核。將實驗方案提交任課老師審核，進一步理清實驗目的、原理及整體思路、具體步驟、預期結果和實驗中要注意的問題等，以便有條不紊地完成預期的實驗內容。

針對實驗方案設計過程中所遇見的重點和難點問題，同學們可以互相提問，在討論的過程中，不斷總結、逐步提高分析問題、解決問題的能力和團隊協作精神。

4 實驗的實施

4.1 Ag3VO4的制備與表征

目前最常用的制備方法為沉淀法，具體過程如下：將NaOH和V2O5溶于去離子水中，充分攪拌至完全溶解，將一定量的AgNO3溶于適量去離子水后，倒入上述混合溶液中，得到黃色的沉淀，靜置10 h后過濾，用去離子水洗滌數遍后用無水乙醇洗滌五遍，放入干燥箱中烘干，即為催化劑的前驅體。最后將前驅體放到坩堝中，在管式爐中按一定的速率升溫，進行熱處理，即得釩酸銀光催化劑。

此處學生可根據自己的實驗方案選擇合適的升溫速率和熱處理溫度，并考察熱處理溫度對催化性能的影響，也可以自行選擇固相法和水熱法合成樣品。制得的樣品分別用X-射線衍射、紅外光譜儀和掃描電鏡進行表征。要求學生根據標準圖譜，對自己制備樣品的XRD衍射峰和紅外吸收峰進行指認，對樣品的形貌做出清晰的認識和描述，并對合成樣品的質量有初步的評價。

4.2 光催化劑的性能測試

本實驗以亞甲基藍模擬廢水為研究對象，考察Ag3VO4降解亞甲基藍的效果。首先配制一定濃度的亞甲基藍標準溶液；繪制吸光值和波長關系的吸收曲線，從吸收曲線上選擇適宜波長作為以后的測定波長；然后繪制亞甲基藍的標準曲線。

分別稱取不同質量的Ag3VO4與100 mL亞甲基藍溶液(10 mg·L-1)混合，置于燒杯中。在氙燈光源下光照一段時間，每隔半小時取樣，用紫外可見分光光度計測定亞甲基藍的吸光度。根據標準曲線計算亞甲基藍的降解率。考察催化劑用量對亞甲基藍降解率的影響。

稱取0.1 g Ag3VO4于燒杯中，分別加入不同濃度的100 mL亞甲基藍溶液，在氙燈光源下光照一段時間，每隔半小時取樣，測定亞甲基藍的吸光度。考察亞甲基藍濃度對降解率的影響。

要求學生查閱文獻，初步確定吸光光度法測定亞甲基藍的最大波長及標準曲線的范圍。確定催化劑的用量和亞甲基藍的濃度，理解催化劑用量和亞甲基藍濃度影響降解率的原因。提出進一步提高亞甲基藍降解率的途徑，提高學生的自學和查閱文獻的能力。同時，讓學生認識到本實驗需要多學科知識和實驗技能的配合才能完成，提高學生從事科研的興趣。

4.3 光催化動力學分析

為了研究Ag3VO4催化劑光催化降解亞甲基藍的動力學特性，運用一級反應動力學模型來擬合其降解特性，公式如下：

lnC/C0=a+kt

其中：k為表觀動力學速率常數；C0為亞甲基藍的初始濃度；t為反應時間；Ct為在t時亞甲基藍的濃度。按照上述公式，以ln(C0/Ct) 為縱坐標，時間t為橫坐標作圖，得到催化劑降解亞甲基藍的動力學特性。

讓學生初步學會從化學反應動力學的角度來分析亞甲基藍降解的過程，學會常用的數據處理軟件Excel、Origin的使用。

5 實驗報告

在完成實驗1周后，每位學生都要上交一份正式的實驗報告，并且各小組成員經過討論后，由組長寫1份實驗方案設計及討論總結報告，內容包括實驗方案的制定、課堂討論情況總結、實驗過程中的收獲和不足之處、以后改進的措施以及對實驗方法和規律的總結等。在撰寫報告時必須堅持實事求是的原則，將實驗的原始數據進行記錄、整理、歸納和分析，從中找出規律，得到合理的結論。

實驗報告是實驗課程考察的重要環節。在傳統的實驗教學中，因為實驗步驟、實驗條件、 實驗結果都是一樣的，所以很多實驗報告是將實驗指導書重抄一遍。而在本實驗中，因為各個實驗組的實驗方案不同，實驗現象、實驗結果可能不同，學生必須準確記錄自己的實驗現象和結果。在實驗報告中不強調學生對于實驗原理、實驗儀器與試劑的書寫，也不強調學生實驗結果的好壞，而是要注重實驗過程的設計及討論與分析。

6 結 語

開設研究型教學實驗，是培養和提高大學生的實踐能力和創新能力的有效途徑，也是大學實驗教學改革的主要方向。本文以光催化劑的制備與性能測試為基礎，探索開設研究型實驗的途徑，實驗內容是當前的研究熱點課題，涉及無機化學、分析化學、儀器分析、物理化學及數據處理軟件，在鍛煉學生獨立開展實驗能力的同時，還可以鞏固以前的知識與實驗技能，提高學生解決實際問題的能力和創新意識。

研究型實驗教學逐步會成為大學的基本教學理念和模式。它的實施不僅需要實驗教師開展研究性教學、不斷開發新的實驗項目，而且需要學生的積極主動配合，另外，學校還應提供相應的環境條件保障。只有這樣才能充分發揮研究型實驗教學在人才培養中的作用。

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