MXene融入化學教學的創新型人才培養研究

陳鈺 趙娣 劉洪燕 段耀廷 白月 盧艷紅

【摘? ?要】? ?MXene是由Gogotsi教授及Barsoum教授課題組在2011年首次獲得的新型二維材料，它在儲能器件、電化學、光化學及催化等領域中的應用引起研究者們的廣泛關注，與大學化學課程具有高度相關性。將MXene最新的研究方法和成果融入到大學化學教學中，在加強無機化學、有機化學、分析化學、物理化學及環境化學等大學化學基礎課程建設的基礎上，培養學生的創新思維和能力，促進創新型人才的培養，為世界一流大學和一流學科的發展提供新的思路。

【關鍵詞】? ?化學教學;二維材料;創新型人才;MXene

Research on the Cultivation of Innovative Talents by Integrating

MXene into Chemistry Teaching

Chen Yu， Zhao Di， Liu Hongyan， Duan Yaoting， Bai Yue， Lu Yanhong*

（Langfang Normal University， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? MXene is a new two-dimensional material discovered by Professor Gogotsi's research group in 2011. It has attracted significant attention in the fields of energy， electrochemistry， photochemistry， and catalysis， and is highly relevant to university chemistry knowledge. The cultivation of innovative talents with MXene integrated into chemistry teaching is conducive to the construction of disciplines such as organic chemistry， analytical chemistry， physical chemistry， inorganic chemistry， and polymer chemistry. Integration of the latest scientific research of MXene into chemistry teaching can promote the cultivation of innovative talents and provide a new model for the development of double first-class universities and double first-class disciplines.

【Key words】  ? ?chemistry teaching; two-dimensional materials; innovative talents; MXene

〔中圖分類號〕? G642 ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0040 - 06

0? ? ?引言

MXene是由美國德雷塞爾大學Gogotsi教授及Barsoum教授課題組在2011年發現的新型二維材料[1]，在儲能器件、電化學、光化學、催化等領域引起了科研人員的廣泛關注，與大學化學知識具有高度的相關性。MXene中的M代表過渡金屬，X代表碳或氮[2]。MXene是二維材料的一種，其前驅體是MAX相。但是，人們曾認為MAX相鄰層之間的共價鍵或金屬鍵很強，因而不能形成MXene二維材料。Gogotsi教授及Barsoum教授課題組在一次偶然的實驗中用氫氟酸溶液與Ti3AlC2混合，Ti3AlC2中的Al被氫氟酸溶液刻蝕后便首次得到Ti3C2型MXene二維材料[1]，之后通過改變前驅體使合成的新型MXene材料更加豐富。

MXene二維材料與化學教學的融合有利于大學創新型人才的培養，使學生學習到最前沿的創新知識、激發學生的創新意識和創新精神、提高學生的創新能力和創新素養、實現以改革創新為核心的時代精神、促進“雙一流”的建設。同時，MXene二維材料與化學教學的融合也會推進以科技創新為核心的全面創新及實現創新引領發展的第一動力的重要作用。本文探討MXene二維材料與化學教學融合的內容包括MXene與無機化學、有機化學、分析化學、物理化學及環境化學等化學課程的科教融合（圖1）。

1? ? ?MXene融入無機化學教學

由于MXene是無機化合物，所以MXene的前沿科學研究和傳統無機化學融合對培養創新型人才具有重要意義。由定義可知，MXene是金屬碳化物或金屬氮化物[3]。具體來說，MXene中的M代表前過渡金屬，X代表碳或氮[3]。所以，傳統無機化學教學中在講解碳族物質和氮族物質時可以引入MXene作為擴充，增加碳族和氮族章節的創新性。按照MXene的定義，MXene的X元素只能是碳或氮元素[3]。不過，在無機化學教學中可以讓學生去思考其它非金屬元素（如硼、磷、硫）是否也有可能成為新型的X元素，以激發學生突破傳統無機化學教學的固定思維和最新文獻中的一般定論，為發現顛覆性的新型MXene物質提供理論準備。MXene剛被發現時也只有含碳元素這一種類[1]，氮元素型MXene也是后面在不斷質疑和不斷猜想中發現的。另外，由于MXene是前過渡金屬化合物，所以MXene也是在講解相關內容中拓展金屬化合物的最好范例。同時，MXene中的前過渡金屬這一概念可以用來讓學生了解怎么區分前過渡金屬和后過渡金屬。不過，據我們所知，至今報道中MXene的M元素一般認為是ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素[4]，部分文獻已經拓展到其它元素[5]。用這樣的思維和問題激發學生去猜想新型MXene中的M元素是培養學生創新意識和創新能力的良好方略。

2? ? ?MXene融入有機化學教學

由于MXene材料的高效催化作用，傳統有機化學教材中鹵代烷烴的親核取代反應（圖2a）可以創新性的拓展到二氧化碳（CO2）的甲酰化反應當中（圖2b），為有機化學領域創新型人才的培養提供新思路。MXene材料催化轉化CO2的甲酰化反應[7]能使學生充分了解MXene的結構、性質和最新應用在有機化學課程中的重要作用。同時，MXene融入CO2的甲酰化反應型親核取代反應能增強大學生的創新性思維。CO2中的C也可以像鹵代烷中的C一樣作為核，CO2中氧原子也可以作為像鹵代烷中的鹵素原子一樣作為離去基團[7]，但是常規思維中CO2中的氧原子一般被認為不易脫去。胺類衍生物可以作為親核試劑[7]，但是有機化學教材中認為只有氨氣才是優良的親核試劑，這樣親核試劑便創新性的從氨氣拓展到伯胺和仲胺。更為重要的是傳統有機化學教材認為親核基團的供電性越強，親核取代反應的效率更高[6]。但是，MXene催化轉化CO2的甲酰化反應并非完全如此：仲胺和脂肪胺等親核試劑的供電性最強，親核取代反應的產率最高（接近100%），芳香胺苯環上取代供電子基團卻并沒有促進產物產率的提高反而使產率降低（圖2c）[7]，從而有利于促進學生去探索影響親核取代反應除親核試劑親核性以外的因素，如雙分子反應SN2機理的位阻效應。SN2機理的位阻效應認為位阻效應越小（如苯胺）親核取代反應效率越高[6]。

3? ? ?MXene融入分析化學教學

MXene在傳統分析化學領域有著廣泛的應用，如紅外光譜、紫外光譜（圖3）。傳統分析化學教學一般著重強調靜態的紅外光譜，對動態在線紅外光譜的探討很少，也很難有實例讓學生們進行深刻的理解。MXene光催化轉化CO2的動態過程和具體機理可以通過原位動態紅外得以清楚的闡釋[8]。通過在線原位紅外光譜，在可見光照射的條件下可以清楚地檢測到甲酸、甲酸根離子、甲酸自由基等中間產物，這些中間產物是產生一氧化碳的關鍵中間產物[8]。這樣便從科學上揭示了MXene催化轉化CO2生成CO的微觀機制。另外，傳統分析化學教材中介紹的紫外-可見光譜的適用對象是極稀的溶液。通過MXene的固體反射紫外表征，一方面可以讓學生掌握固體材料的吸收邊帶和光吸收帶隙的方法[8]，另一方面可以讓學生跳出測量溶液的紫外-可見光譜的思維定勢。更為重要的是，可以讓學生創造性地思考氣態、超臨界等極端狀態物質的紫外測量方略，為將來顛覆性地研發新型儀器設備點燃創新的火種。

MXene在現代分析化學領域應用更加廣泛，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜（圖3）。與以化學作用、光能或電能直接作為激發源不同，掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡以電子為激發源;X射線衍射和X射線光電子能譜以X射線為激發源。由于電子和X射線具有高能量，所以能夠穿透MXene一定的距離探測到MXene表面的信息。具體來說，通過掃描電子顯微鏡可以看見MXene的形貌;透射電子顯微鏡的電子能量比掃描電子顯微鏡更高，能夠看清MXene更加細微的結構（比如晶格）[8]。X射線光電子能譜主要通過X射線激發外層電子或價電子以用于MXene材料表面的元素定性、元素價態分析及元素半定量。X射線衍射主要通過相干散射和布拉格公式探測MXene材料的晶面間距、粒子大小、晶體結構等信息。以MXene為例子講述現代分析化學的前沿應用能促進科教融合，增強學生的創新能力。

4? ? ?MXene融入物理化學教學

MXene二維材料的前沿科學研究也可以深入融合到物理化學教學當中，以促進創新型人才的培養。熱力學、動力學、電化學、膠體界面是物理化學教學的主要內容[9-10]。其中熱力學第二定律是熱力學部分的重點知識，主要解決反應變化方向和進行程度等問題[9-10]。勒夏特列原理、克勞修斯說法、開爾文說法等定性描述雖然對理解熱力學第二定律有一定的作用，但是缺乏定量關系。卡諾定理、克勞修斯不等式、熵判據、亥姆霍茲判據雖然能從定量角度解決熱力學第二定律的方向和限度問題，但是，吉布斯判據的使用范圍更大（圖4a）。這是因為吉布斯判據適用的必須條件是等溫等壓，與日常發生化學反應的條件最為接近。不過，物理化學教材上吉布斯判據的例子均比較陳舊，如水的相變、氨氣的合成、碘的升華、石膏的脫水反應、金剛石和石墨晶體的轉化。如果在熱力學第二定律吉布斯判據的使用范例中加入最前沿的科學研究成果，那么將會增加學生的學習熱情和創新欲望。

MXene與CO2及水的吉布斯自由能變的數值符號及大小能說明相互作用力大小（圖4b）[4]。先以Mo3C2型MXene為例子予以說明：Mo3C2型MXene與CO2及水的吉布斯自由能變的符號均為負值（分別為-0.86 eV和-0.07 eV），根據熱力學第二定律的吉布斯判據可知Mo3C2型MXene與CO2及水的反應方向是趨向于正向發生的[4]。但是，Mo3C2型MXene與CO2相互作用的吉布斯自由能變比與水相互作用的吉布斯自由能變要小的多，這意味著CO2比水更加容易吸附在Mo3C2型MXene上面。以MXene為催化劑，在電催化CO2反應中，CO2還原生成目標產物（如甲烷）的反應比水還原生成氫氣的副反應更加容易發生，即法拉第效率和選擇性更大[4]。Cr3C2型MXene也有相似的結論（圖4b）[4]。學生在物理化學知識學習的過程中便能更加深刻地體會到物理化學理論知識在MXene前沿科學研究中的重要性，通過設計新型的MXene，使其與CO2反應的吉布斯自由能作用能變更負，與水的吉布斯自由能作用能變為接近零甚至為零，則能獲得更高的法拉第效率和選擇性。這樣，對基于MXene的新型電催化還原CO2催化劑的設計是一個重大的創新。

5? ? ? MXene融入環境化學教學

MXene融入揮發性有機物（VOCs）的治理對大學生利用環境化學知識理解中國最新的大氣污染治理具有重要意義，能讓大學生聚焦現實最重要的問題來發揮創新力。大氣污染物的主要成分有PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO。最近幾年大氣污染物的各項指標呈下降態勢，但是大氣中臭氧的濃度居高不下，甚至呈一定的上升趨勢。揮發性有機物（如HCHO、CH3COCH3）是引起臭氧濃度上升的重要原因之一。最新研究表明MXene與鎢酸鉍的復合材料對甲醛和丙酮具有很大的吸收量，而且能在可見光條件下高效的降解甲醛和丙酮[11]。近年來，世界極端氣候越來越多，冰川融化越來越嚴重，這與溫室氣體（如CO2）引起的氣溫升高有一定的關聯。MXene捕集和轉化溫室氣體CO2[7， 12]既能讓學生深刻地理解環境化學的知識，又能激發學生提出創新性方法去解決實際問題的興趣。（圖5）

MXene融入環境化學教學中的廢水處理也具有重要意義。Pb2+、Cd2+等是河北雄安新區白洋淀水域中的重要污染重金屬離子[13-15]。傳統重金屬離子的活性炭型吸附劑雖然表面積比MXene高約50倍，但是吸附效果卻比MXene低許多[16]。最新研究表明，MXene由于其表面擁有大量的負電荷基團，對廢水中重金屬離子具有較大的吸附量[16-17]。這對大學生用環境化學知識服務美麗雄安的建設提供新型解決思路。核能是清潔、高效且環保的新能源，核廢料是核能發展中的不可避免的排放物。與MXene吸收重金屬離子相似，MXene表面含有的豐富的負電荷使得其對核廢料（如銫離子Cs+、銪離子Eu3+）也具有較高的吸附量[18-19]。有機染料也是工業和生活廢水中常見的成分，MXene和鐵酸鉍的復合型材料能在可見光條件下高效的把剛果紅（Congo Red）催化降解[20]。這對光化學方法治理廢水污染物的方法提供新思路，有利于激發大學生尋找更加高效的新型MXene型光催化劑。

6? ? ?總結

MXene與大學化學教學具有高度的相關性，MXene與化學教學的科教融合模式有利于提高大學生在無機化學、有機化學、分析化學、物理化學和環境化學等具體學科的創新思維和創新能力，進而培養其專業綜合能力、自我學習能力、勇于探索的創造力。MXene的最新科學研究與化學教學的科教融合能促進創新型人才的培養，為世界一流大學的建設和一流學科的發展提供新思路。

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