化工專(zhuān)業(yè)本科生綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與探索

孟玉蘭，張 旭，宋學(xué)志

（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221）

綜合實(shí)驗(yàn)是高年級(jí)本科生（一般為大四學(xué)生）的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類(lèi)課程，主要考查學(xué)生利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。綜合實(shí)驗(yàn)不僅能夠檢驗(yàn)學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)和基本實(shí)驗(yàn)技能，還能鍛煉動(dòng)手能力，提升思維創(chuàng)新水平，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)的了解。綜合實(shí)驗(yàn)的原則是綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性[2]。通過(guò)前期的文獻(xiàn)調(diào)研設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探索不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果的影響，并進(jìn)行研究分析與討論。本科生的綜合實(shí)驗(yàn)還可與科研課題相結(jié)合，不僅可以推廣教師的科研經(jīng)驗(yàn)和成果，還能鍛煉學(xué)生信息檢索、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建、自主探究與問(wèn)題分析等方面的能力。

生物質(zhì)是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，是植物通過(guò)光合作用而形成的有機(jī)體，包括所有的動(dòng)植物和微生物[3-5]。生物質(zhì)具有來(lái)源廣泛、可再生、環(huán)保及可替代性等優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來(lái)，生物質(zhì)衍生材料廣泛應(yīng)用于催化、吸附、傳感、能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。目前有大量文章介紹使用香蕉皮、柚子皮、蝦殼、纖維素等生物質(zhì)材料，通過(guò)碳化制備富含雜原子摻雜的碳材料，廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料、光催化產(chǎn)氫等方面。

科學(xué)研究源于生活，生活蘊(yùn)含科學(xué)哲理，很多科學(xué)研究來(lái)源于對(duì)日常生活的細(xì)心觀察。本文以來(lái)源廣泛的花生殼為生物質(zhì)原料，與科學(xué)研究相結(jié)合，在一定溫度下通過(guò)直接碳化及活化的實(shí)驗(yàn)條件制備孔隙豐富的碳材料，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)表征及電化學(xué)方面性能的探索研究。

1 文獻(xiàn)檢索

大四學(xué)生經(jīng)過(guò)前三年的知識(shí)積累，并在學(xué)習(xí)“信息與文獻(xiàn)檢索”及“化工常見(jiàn)軟件使用”等課程后，初步掌握了文獻(xiàn)檢索、軟件繪圖等方面的知識(shí)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)教師給定一個(gè)“以生物質(zhì)為原料制備多孔碳材料的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探索”實(shí)驗(yàn)題目后，他們首先應(yīng)該進(jìn)行文獻(xiàn)查閱。可以先使用“生物質(zhì)”“多孔碳材料”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”等關(guān)鍵詞搜索知網(wǎng)、萬(wàn)方等數(shù)據(jù)庫(kù)中的中文文獻(xiàn)，對(duì)涉及的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行概括性的了解和認(rèn)識(shí)。當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有所了解后，可以嘗試使用Web of Knowledge、Wiley、Elsevier等數(shù)據(jù)庫(kù)搜索相關(guān)的英文文獻(xiàn)，了解最新的研究成果。除此之外，還有其他數(shù)據(jù)庫(kù)、各類(lèi)圖書(shū)可以加以利用。

查閱文獻(xiàn)是獨(dú)立解決問(wèn)題的基礎(chǔ)，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，掌握文獻(xiàn)查閱方法，學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有更全面的了解，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也能做到胸有成竹，為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)操作打下良好的基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以花生殼為原料?；ㄉ臓I(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，不僅可以作為食物使用而且可以入藥，但食用后所剩余的花生殼的價(jià)值卻很低，一般當(dāng)作廢棄物處理。花生殼的主要成分是木質(zhì)纖維素，是適合制備碳材料的原料之一。花生殼硬度不大，實(shí)驗(yàn)前將其研磨30 min，制成碎片。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)方案：以花生殼為原料，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，以5 ℃/min 的升溫速率升至600 ℃進(jìn)行碳化，碳化時(shí)間為120 min[7]，所得到的材料標(biāo)記為C-600。同時(shí)按照KOH 和花生殼1∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在同樣的條件下對(duì)花生殼進(jìn)行活化，所得到的材料標(biāo)記為C-KOH-600。

碳化處理所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。氮?dú)饬髁繛?00 mL/min。實(shí)驗(yàn)前，將樣品放入石英管后，先向石英管中通入氮?dú)?，排除管里的空氣，之后設(shè)定程序，開(kāi)始加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待產(chǎn)品冷卻，取出所制備的樣品，洗滌后研磨成粉末備用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1 形貌觀察

掃描電子顯微鏡是利用電子和物質(zhì)的相互作用來(lái)獲取被測(cè)樣品本身的物理、化學(xué)性質(zhì)信息的一種重要儀器。通過(guò)掃描電子顯微鏡，可以觀察材料表面的微觀形貌和結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生對(duì)微觀世界的理解，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能有更直觀的認(rèn)識(shí)。

圖2 為所制備材料的表面微觀形貌圖。圖2(a)為C-600 的掃描電鏡圖片，表面可以看到花生殼碳化所得碳材料中含有孔隙，但孔數(shù)量較少，孔尺寸較大且不規(guī)則。圖2(b)為C-KOH-600 的掃描電鏡圖片，其表面及內(nèi)部呈現(xiàn)出大量蜂窩狀的孔。與圖2(a)相比，經(jīng)過(guò)KOH 處理的碳材料的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，表面出現(xiàn)豐富的孔結(jié)構(gòu)，孔隙明顯增多且較均勻，孔尺寸約為3～7 μm，孔結(jié)構(gòu)比較均一。

圖2 掃描電鏡圖片

結(jié)合材料活化前后材料表面形貌的變化，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，可對(duì)KOH 的活化機(jī)理進(jìn)行分析和討論[8-9]，并理解豐富孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及作用。

2.2.2 X 射線衍射分析

X 射線衍射是通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行X 射線衍射，得到其衍射圖譜，然后通過(guò)分析圖譜得到材料的結(jié)構(gòu)及成分。X 射線衍射的應(yīng)用范圍非常廣泛，現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中，成為一種重要的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)分析手段，且具有無(wú)損試樣的優(yōu)點(diǎn)。

使用X 射線衍射儀對(duì)C-600 和C-KOH-600 材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試角度范圍為：5°≤2θ≤80°，掃描速度為10°/min。圖3 為材料的XRD 圖。從圖中可以看出，在26°和46°左右存在兩個(gè)包狀峰，與碳材料的衍射峰對(duì)應(yīng)，說(shuō)明材料均為無(wú)定形碳。材料C-600的衍射圖中，46°左右的峰不明顯，可能是由于材料的碳化溫度較低所致，C-KOH-600 的衍射圖中除了兩個(gè)明顯的包狀峰外，還出現(xiàn)了比較尖銳的峰，這可能是由于KOH 未洗滌干凈所致。

圖3 XRD 圖

2.2.3 性能測(cè)試

將上述制備的材料組裝成超級(jí)電容器，并對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。首先將所制備的材料及炭黑、粘結(jié)劑按8∶1∶1 的質(zhì)量比混合，之后壓成薄片，并用模具將其裁剪為直徑1 cm 的圓片。以泡沫鎳為集流體，鎳帶為電極，6 mol/L 的KOH 溶液為電解液，組裝成三電極測(cè)試體系[10-11]。使用電化學(xué)工作站在不同的掃描速率下進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)伏安掃描測(cè)試，如圖4所示。

將測(cè)試結(jié)果用Excel 或其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，鍛煉學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力。通過(guò)計(jì)算可以得出，5 mV/s掃描速率下，C-600 和C-KOH-600 的比電容分別為24.92 F/g 和34.20 F/g，說(shuō)明材料具有一定的雙電層電容特性。還可以進(jìn)一步計(jì)算其他掃描速率下兩種材料的電容值。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，并結(jié)合文獻(xiàn)內(nèi)容[11]可知，活化后的材料孔結(jié)構(gòu)增加，有利于形成大孔、中孔、微孔的分級(jí)式孔結(jié)構(gòu)，有利于離子的傳輸和電荷的轉(zhuǎn)移，有利于提高材料的電化學(xué)性能。

圖4 循環(huán)伏安曲線

3 教學(xué)探索與考核評(píng)價(jià)

3.1 教學(xué)探索

上述實(shí)驗(yàn)僅為設(shè)計(jì)方案中的一種，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還可以改變實(shí)驗(yàn)溫度和碳化時(shí)間等因素，對(duì)材料的性能進(jìn)行優(yōu)化。不同的實(shí)驗(yàn)條件會(huì)得到不同的材料結(jié)構(gòu)，并對(duì)電化學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。不同小組的學(xué)生可以分別使用不同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探索，不僅可以避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告的互相抄襲，還可以鍛煉學(xué)生數(shù)據(jù)處理和圖表分析能力。

針對(duì)材料的性能研究，可以通過(guò)測(cè)試不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線，以及不同電流密度下的恒電流充放電曲線[12]來(lái)進(jìn)行。結(jié)合所測(cè)材料電化學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果，學(xué)生能夠?qū)W會(huì)使用公式計(jì)算材料的比電容值，并利用軟件進(jìn)行繪圖，還可以測(cè)試材料對(duì)常用染料，如亞甲基橙等的吸附作用，擴(kuò)展材料的應(yīng)用范圍。

3.2 考核評(píng)價(jià)

考核是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要方式，也是完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分[13]。對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容主要包括基本操作、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)等方面的能力，但綜合實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容不止于此，其主要考核內(nèi)容和分值如表1 所示。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容及分值

4 結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校“雙一流”建設(shè)的基本任務(wù)，而實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要場(chǎng)所和途徑。

本文以科學(xué)研究中多孔碳材料的制備為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了材料的制備方法、材料的表征、活化機(jī)理及電化學(xué)性能等方面的內(nèi)容，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還重點(diǎn)考查了學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作、理論知識(shí)及綜合分析問(wèn)題的能力[14]，有利于提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)及理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力?？梢允箤W(xué)生了解該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)科研興趣[15]，熟悉科研流程和基本規(guī)律。此類(lèi)綜合性實(shí)驗(yàn)還可以很好地鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及創(chuàng)新思維，對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作都將是很有幫助的。