新能源環境友好材料制備及性能表征實驗教學探索

吳 音， 劉蓉翾

(清華大學 材料學院，北京 100084)

0 引 言

進入21世紀以來，能源問題和環境問題已經成為全球焦點問題。隨著世界經濟發展，能源消耗急劇增加，可開采的常規能源越來越少，這不僅開始限制全球經濟發展，也嚴重污染了人類賴以生存的環境[1-2]。礦物燃料的資源逐漸耗盡以及對環境的影響，促使人們尋找開發新的能源。當今新能源和環境友好等各種新材料已經成為科學研究前沿，培養相關專業學生是當今高等院校教學發展的重點[3-4]。在材料學專業開設新能源環境友好材料制備實驗非常重要和必要[5-6]。為此，對在本科生中開設新能源和環境友好材料制備的實驗課程進行了探索。嘗試在新形勢下培養學生探索和創新能力的實驗教學內容，提升實驗教學效果與質量。同時，希望通過這些實驗,把科研工作的新進展、國際上相關研究的最新內容及時補充到教學實驗中，使實驗具有前沿性。

1 實驗教學總體設計

嘗試在本科生實驗教學中開設新能源材料和環境友好材料制備及性能表征兩個綜合實驗。實驗采用綜合實驗模式：學生根據實驗目標獲取所需信息→設計實驗方案→制備選定材料與樣品→表征所制備材料的成分、結構、性能→綜合整理所獲得資料、撰寫報告→口頭報告所取得的成果并相互討論[7]。

2 實驗內容及過程

2.1 ZrO2 基固體電解質(YSZ)的制備

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、潔凈的新能源技術，對能源的有效利用和全球環境的保護產生積極的影響[8]。其開發研究以及商業化，是解決目前世界能源短缺和環境污染的重要手段，受到了世界有關國家的普遍重視[9]。SOFC主要由電解質、陽極、陰極和連接體組成，其中電解質是核心部分，其性能的優良直接決定燃料電池的應用前景[10-11]。在SOFC系統中，電解質的主要功能在于傳導氧離子。ZrO2基固體電解質是最早開發和使用的，是目前SOFC系統主要使用的電解質材料[12]。因此，選擇制備ZrO2基固體電解質(YSZ)作為其中一個實驗。

實驗采用沉淀法和水熱法等技術合成粉體，經過球磨、造粒、成型，燒結，制備出不同含量的Y2O3摻雜ZrO2陶瓷。利用XRD對制備的ZrO2陶瓷進行相分析；SEM觀察其表面形貌；應用阻抗分析儀對樣品進行電性能測試。繪出Cole-Cole圖，擬和求出圓的直徑得到電阻。通過該實驗，使學生了解ZrO2基固體電解質導電原理；掌握ZrO2基固體電解質(YSZ)的制備工藝；熟悉Y2O3不同含量摻雜對氧化鋯離子導電性的影響；掌握利用交流復阻抗技術研究多晶材料離子電導行為。

2.2 溶膠-凝膠法制備TiO2 薄膜

另外一個實驗選擇了溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜。TiO2薄膜具有優良的化學穩定性、超優的光電轉化、光催化特性能和親水性, 具有突出的與當前能源利用和環境保護有關的優異性能[13]。TiO2的光催化特性在廢水處理、空氣凈化、太陽能利用、抗菌自潔等環境污染治理中有著廣泛的應用前景，成為一種大有前途的環境凈化材料，是當今研究的熱點[14-15]。

實驗利用溶膠凝膠(sol-gel)方法，制備TiO2薄膜。通過改變制備工藝條件，如前軀體濃度、pH值、溫度、涂覆層數、熱處理制度等，制備銳鈦礦結構的TiO2薄膜。利用XRD對制備的TiO2薄膜進行相分析；AFM觀察TiO2薄膜表面形貌；SEM觀察其斷面形貌，薄膜的厚度；紫外可見光分光光度計測試TiO2薄膜吸收光譜。通過該實驗使學生了解TiO2材料的基本結構、性能及制備方法，熟悉TiO2光催化特性環境保護的原理，掌握溶膠-凝膠法制備薄膜的基本原理和過程。

3 教學效果

(1) 大大提升學生的科研興趣與科研能力。由于實驗項目為目前新材料領域的研究熱點，也是學院在研的科研項目，大大激發了學生實驗積極性和興趣, 相比以前被動地根據實驗指導書按部就班地進行常規的驗證性實驗，現在實驗更具挑戰性，實驗結果是未知的，實驗方法和步驟也根據實驗的情況隨時進行調整，使學生在實驗過程中更加主動地面對問題。此外，學生可以結合實驗項目參與課題組的科研工作，參加課題組的學術討論以及學院的學術講座。有機會接觸學院當前國際上最先進的各種儀器設備，如XRD、SEM、拉曼光譜、原子力顯微鏡AFM，薄膜透過率測定等。這不僅使學生了解無機材料先進的表征方法及物理性能測試方法，還為學生提供了以后在科研或是工作中可能遇到的問題感性認識，從而使豐富的科研資源轉化為教學資源。通過實驗啟發學生積極創新的精神，培養學生的科研素質。同時，使學生有一種置身國家科技前沿的感覺，增加了學生投身科學研究的愿望。圖1～3所示為學生對樣品進行的一些測試結果。

圖1 硅基片上生長TiO2薄膜的XRD圖譜

圖2 ZrO2(8Y)復阻抗譜圖

圖3 TiO2薄膜表面的原子力顯微照片

(2) 實驗體現高度綜合性，并能和課堂所學的內容緊密結合。從開始實驗到最后的數據處理和報告撰寫涉及相關的多門課程知識，需要用到很多已學或正在學的知識，如在進行材料合成及實驗結果表征測試時，與他們正在學習課程材料化學、XRD技術和材料物理性能等理論課相互映襯，使學生邊學邊用、學有所用，獲得好的教學效果，從實際的角度上推動了學生在材料理論知識上的認可程度。綜合實驗除了實驗內容的綜合性以外，還體現在實驗方法的多樣性，學生嘗試使用不同制備技術、測試表征技術和數據處理方法進行實驗，通過本實驗全面訓練的過程中，除了鞏固基本操作技術外，還培養了學生把所學理論知識和已掌握的實驗基本技能運用到實踐當中。對學生的知識、能力和素質的綜合培養。

4 結 語

通過在本科生材料學專業開設能源環境友好材料制備及性能表征實驗，可以使學生很好的了解新材料領域研究熱點、研究方法和研究手段的不斷發展和更新，掌握材料制備新技術新工藝，了解無機材料先進的表征方法及物理性能測試技術。另外，對培養學生理論聯系實際，分析問題和解決問題的能力，以及在實驗研究中嚴謹的科學態度、求實的作風以及大膽創新的精神起到積極的作用。在大三本科生開展實驗1年來，得到了學生廣泛的歡迎和認同，增進了他們對專業的熱愛，總體取得較好的教學效果。學生普遍認為實驗對他們以后的實驗室歷程非常有幫助。

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