菱面體形CeO2的制備及其光催化性能綜合實驗設計

陳歡歡，汪應玲，孫桂芳，朱彥榮，羅紹華

（1.東北大學秦皇島分校資源與材料學院，河北秦皇島 066004；2.東北大學材料科學與工程學院，沈陽 110819）

0 引言

化學實驗教學是材料科學與工程專業實踐教學體系的基礎和核心，在學生創新能力和綜合素質培養過程中處于重要地位［1-2］。在創新型人才培養的背景下，建立一種以學生為主導，綜合且開放的實驗教學模式，是當今實驗課程改革的熱點問題［3］，因此，設計綜合性實驗項目符合創新性人才培養的要求，也是本科教學改革的重要方法［3-5］。

當前，水體污染已成為我國環境治理和控制的焦點問題［6］。傳統的水處理技術存在處理周期長、成本高、反應不徹底、容易造成二次污染等缺點。光催化技術因具有溫和的反應條件且能夠直接利用太陽能將各種水體污染物進行高效無害化處理的特點，已成為治理水體污染的重要手段［7-8］。稀土氧化物CeO2具有n型半導體的性質，由于其具有優異的氧化還原能力、氧的釋放和吸收能力，已成為人們廣泛研究的一系列光催化材料［9］。為了讓學生們深入了解光催化劑的制備方法，掌握光催化劑的表征方法，熟悉光催化降解技術，本文設計了菱面體形CeO2催化劑制備及光催化性能的綜合實驗。該實驗包括樣品的制備、表征、性能測試等過程，模擬完整的科研實驗流程。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

儀器：微波反應器，臺式高速離心機，電熱恒溫鼓風干燥箱，馬弗爐，電子天平，電子pH計，X射線衍射儀，場發射掃描電子顯微鏡，傅里葉變換紅外光譜儀，紫外-可見分光光度計。

試劑：硝酸鈰，聚乙二醇6000，尿素等均為分析純試劑。

1.2 菱面體形CeO2粒子制備

通過設計正交試驗制備CeO2粒子。具體步驟：將一定量的硝酸鈰、聚乙二醇6000和尿素溶解在100 mL去離子水中攪拌至完全溶解。之后，將其轉移到250 mL燒瓶中進行微波回流反應。微波處理一定時間后，反應生成大量沉淀。離心收集產品，在60℃烘箱中烘12 h。最后，利用馬弗爐在500℃下煅燒2 h，得到CeO2樣品。圖1為微波回流合成實驗示意圖。

圖1 微波法合成CeO2示意圖

1.3 光催化性能測試

在紫外光照射下，通過考察不同條件下制備的CeO2粒子對苯酚溶液的降解能力來評價樣品的光催化性能。具體操作過程如下：以500 W汞燈為光源。量取5 mg／L的苯酚溶液300 mL，加入150 mg的光催化劑。照射前，將懸浮液在黑暗環境中磁力攪拌30 min，以保證吸附-脫附平衡。開始照射后，每小時取樣4 mL，離心除去光催化劑。隨后，在270 nm處測定溶液吸光度。降解率的計算公式為

其中：A0為初始濃度時苯酚溶液的吸光度；At為光照時間為t時苯酚溶液的吸光度。

2 綜合實驗方案設計

該綜合實驗流程圖如圖2所示，具體包括如下幾部分，①實驗方法的設計，在該環節由老師布置實驗題目，學生通過文獻查閱確定具體實驗方法，正交試驗的影響因素及水平；②對樣品進行結構、組成、形貌等表征工作，該環節引入大型儀器設備的測試項目，以開闊學生的視野；③樣品應用性能的測試，將所制備的催化劑用于光催化降解水體污染物，實現學以致用。

圖2 綜合實驗流程圖

2.1 正交試驗設計

表1是根據文獻資料確定的因素水平表。根據確定的正交實驗表將全班分成9組，分組進行不同因素不同水平下的合成實驗［10］。這樣每個小組的實驗條件都不同，得到的二氧化鈰的形貌，顆粒大小，催化性能均不相同。這避免了以往合成實驗中全班同學用同一實驗方法、同一實驗條件、共做一個實驗的現象，極大地提高了學生的實驗興趣和參與實驗的積極性。

表1 正交試驗因素水平表

2.2 正交試驗結果分析

9組學生依據表1中的因素和水平條件，得到的正交試驗結果如表2所示。根據分析正交試驗表可知，對于二氧化鈰降解苯酚的性能，合成條件中影響因素的大小順序為：反應時間B＞PEG加入量D＞硝酸鈰與尿素比C＞功率A，最佳工藝條件為A2B1C1D3，即反應時間為50 min，PEG的加入量為6 g，硝酸鈰與尿素的摩爾比為1∶6，微波輻射功率為400 W時，合成樣品的催化性能最佳。

表2 正交試驗結果分析

2.3 樣品的表征及性能測試

利用XRD對制備的CeO2粒子進行物相分析，如圖3（a）所示。從圖中可以觀察到尖銳的衍射峰，說明得到的二氧化鈰粒子具有較好的結晶性［11］。二氧化鈰的衍射峰出現在28.5°，33.1°，47.5°和56.4°。

利用紅外光譜儀測試了CeO2粒子的紅外吸收光譜圖，如圖3（b）所示。圖譜中位于524 cm－1處的吸收峰為Ce—O鍵的伸縮振動峰［13］，這與文獻中的位置一致。位于2 357 cm－1處的吸收峰，可以歸屬為空氣中CO2的C＝O伸縮振動峰［14］。位于3 452、1 630 cm－1處的吸收峰，是樣品吸附的水分子造成的［15］。

圖3 CeO2粒子的XRD圖（a）及IR光譜圖（b）

圖4（a）、（b）是前驅體及煅燒后樣品的SEM 圖片。可以看到，CeO2粒子的形貌為菱面體形。前驅體粒子的尺寸較大，經過500℃煅燒后，粒子尺寸明顯變小但形貌基本保持不變。圖4（c）～（e）是樣品的元素面掃描圖和EDS能譜圖，說明制備的樣品是由Ce、O兩種元素組成的，這與XRD的結果一致。

圖4 樣品前驅體的SEM圖（a）、煅燒后樣品SEM圖（b）及元素面掃描圖和EDS能譜圖（c）～（e）

在樣品光催化性能的測試中，選擇模擬苯酚廢水的降解過程，將樣品的性能測試與水污染治理這一實際應用課題結合起來。每個小組分別測試自己合成樣品的光催化性能，將所得數據進行繪圖分析。圖5（a）、（b）是第4組樣品降解過程中苯酚溶液的紫外吸收光譜圖和不同組樣品降解苯酚溶液性能的匯總圖。從圖中可以看到，第4組樣品的降解性能最好，其紫外吸收光譜圖中吸光度隨著光照時間的增加而降低。

圖5 苯酚溶液隨時間變化的紫外吸收光譜圖（a）及不同CeO2樣品對苯酚溶液的降解率（b）

3 結語

以綜合型化學實驗課程為載體，通過實驗方法的設計，研究化學物質的結構、組成、性能及應用，依托學院現有實驗室資源并融合了科技前沿知識，設計出了具有一定拓展內容的新實驗。學生通過“文獻查閱－方案制定－方案實施－樣品表征－性能測試－結果分析－論文撰寫”完成整個探究式實驗過程。在性能測試環節將水污染治理這一實際應用引入到實驗中，有助于提高激發學生探索的熱情。實驗過程以學生為中心，對于培養學生的學習主動性，鍛煉科研思維以及綜合實踐能力具有積極地促進作用。

·名人名言·

我的人生哲學是工作，我要揭示大自然的奧秘，并以此為人類服務。我們在世的短暫的一生中，我不知道還有什么比這種服務更好的了。

——愛迪生