創新性綜合化學實驗的設計

王麗麗　曲玉寧　安會琴

要：隨著社會發展對創新型人才的需求，高校教育必須與時俱進，以適應時代發展。綜合化學實驗作為工科專業開設的提高本科生創新能力的實驗課之一，如何設計創新性化學實驗對提高教學效果、培養學生創新能力具有重要作用。本文通過具體實驗“柔性超級電容器電極材料的制備”的設計及方案的提出、實驗數據處理、結果分析和討論培養學生實踐動手能力及綜合創新能力。

關鍵詞：創新性綜合化學實驗；創新能力；教學改革

隨著人們對生活環境要求的提高和對能源危機的充分認識，發展新能源成為必由之路，柔性超級電容器被視為最具潛力的儲能設備之一，因此柔性電容器電極材料的制備成為研究的熱點內容，本實驗以商業棉布為柔性材料，通過碳化、活化制備高比容量的電極材料。通過實驗的開展鍛煉學生動手實踐、分析問題、解決問題以及數據處理能力。

一、實驗部分

（一）主要試劑與儀器

試劑：商業棉布、KOH（分析純）、乙醇（分析純）

儀器：分析天平、烘箱、馬弗爐、數控超聲波清洗器、電化學工作站等。

（二）柔性電極材料的制備

將商業棉布剪裁為1.5×4.0 cm大小，乙醇、去離子洗滌后于120℃烘干。烘干的棉布在氮氣保護下800℃恒溫90 min進行碳化，得到碳布。按KOH：碳布質量比為5：1、6：1、7：1、8：1稱取相應質量的KOH，分別溶于7ml去離子水中，將碳布置于3.0×6.0cm的瓷舟中，分別加入相應的KOH溶液，浸漬12h后，于90℃下烘干。將浸漬好的碳布在氮氣保護下于管式爐中800℃恒溫60min，得到不同條件下制備的活化碳布。

（三）電極材料的制備及電化學性能測試

將所得活化碳布壓在兩片泡沫鎳中間，形成三明治結構，即為工作電極材料，Hg/HgO為參比電極，Pt片為對電極，組裝三電極測試系統進行電化學測試。測試電壓為01V，掃描速度為5～400mVs1進行循環伏安和充放電測試。

二、結果與討論

將測得的數據采用origin作圖進行結果分析，鍛煉學生軟件利用能力。

經計算可得，當KOH與碳布的質量比為6：1時經氮氣保護高溫處理得到的活化碳布，組裝成電極經測試質量比電容可達到195.3F/g（1A/g），在5A/g的大電流密度下，仍能達到166.3F/g，容量保持率為85.15%，當KOH與碳布的質量比為7：1時得到的活化碳布，組裝成電極經測試質量比電容可達到198.2F/g（1A/g），在5A/g的大電流密度下，仍能達到174.5 F/g，容量保持率為88.04%，電化學性能有顯著的提高。低掃速下循環伏安曲線接近矩形，圖形飽滿且面積增大，證明高溫活化過程中KOH在碳布上刻蝕出大量的微孔和介孔，從恒流充放電來看，從質量比為5：1開始，高比例下得到的活化碳布在大電流密度下的容量保持率稍低，一般在85%～88%之間。在高掃速下CV曲線嚴重收縮，已偏離類矩形形狀，而且容量保持率與低比例相較繼續降低。但是，從圖1（a）、（c）、（e）中可以看出在低掃速下，活化碳布仍能保持較好的類矩形形狀，圖形飽滿面積較大，可見低掃速下活化碳布的電化學性能十分優異。隨著KOH和碳的比例高達8：1時，所得活化碳布的比電容與6：1和7：1相較有所下降，可能是因為KOH的量過大，造孔的孔道塌陷，不利于電解液離子的傳輸，故比電容有所下降。

綜上所述，考慮到KOH的用量以及電極材料的性能，KOH：碳布質量為6：1時被認為是較佳的實驗條件。

通過此創新性綜合實驗的設計及完成充分鍛煉了學生動手實踐能力、分析、總結問題能力，同時學習了origin繪圖軟件的使用方法，對學生綜合能力的提高具有重要作用。