創新型、開放性化學實驗設計
——以鉍基光催化劑制備為例*

安慶鋒，韓紀曉，侯魯梁，許 楠，王 蕾，闞子龍

(青島理工大學，山東 臨沂 273400)

隨著國家高校教育產出型導向和以學生為中心理念的課程建設，越來越多高校本科實驗教學大力開展創新型、開放性實驗。實驗教學是高校培養計劃中的一個至關重要的模塊，是為了使學生對學到的理論知識與實踐有機結合而設置的，有助于培養學生創新思維和應用思維的形成[1]。而創新性實驗相對于基礎實驗而言，更強調學生的能動性，有助于培養學生的用于創新的能力和意識、以及善于團隊合作與嚴謹治學的科學精神，是高校培養目標中創新型人才的重要途徑[2-3]。創新型、開放性實驗對課堂知識進行外延，結合科研方向，符合學生的實際，在指導老師的指引下，能發揮出學生學習的能動性，從而提高學生的創新能力、復雜工程問題的分析和解決的能力[4]。

半導體光催化材料可以有效地將太陽能轉化為化學能和電能，可以完全礦化和降解環境中的有毒有害污染物。它被認為是解決上述問題的最有潛力的技術方案之一。光催化方法不僅將自由可再生的太陽能轉化為可利用的化學能，以提供人類生產的需要，而且還擁有具有成本低、反應過程綠色、無二次污染等優點。鹵氧化鉍(BiOX)作為一種低碳新型光催化材料，學者們做了大量的研究[5]。

水熱或溶劑熱法是合成無機化合物是無機化學領域的重要合成方法之一，采用這種方法可以合成一系列功能性無機化合物，如納米材料，沸石分子篩，具有新穎結構的金屬配合物等[6]。水熱法(溶劑熱法)一般在密閉的容器(一般為反應釜)中加入溶解完全的混合溶液，密封后放在烘箱中，持續均勻加熱，創造出高溫高壓的環境來制備材料。通過這種方法，可以通過控制反應條件(如pH值、溶劑、反應時間和溫度)獲得具有各種形態的反應產物。水熱法(溶劑熱法)操作簡單、方便，對實驗器件要求低，成本低廉等顯著優點。

1 實驗內容與目的

(1)通過選題，以培養學生跟蹤科研前沿、文獻檢索的能力。

(2)通過自主擬定試驗方案，培養學生創新能力、創新思維。

(3)通過材料制備、測試和表征，培養學生實踐操作能力和數據收集、處理的能力。

(4)通過科技論文撰寫，培養學生寫作的能力。

2 實驗原理

圖1 光催化的機理[7]

3 教學要求

(1)獨立調研文獻，提出研究思路并擬定試驗方案。

(2)掌握材料的制備、性能測試方法及表征結果分析，規范填寫試驗記錄。

(3)獨立歸納總結數據，熟悉Excel、Origin等數據分析處理軟件，正確分析討論實驗結果，了解材料研究中數學建模的應用。

(4)實驗成果以科技論文或實驗總結形式提交。

4 實驗項目示例

(1)項目選題

在指導老師的引導下，學生自主選擇實驗項目，首先要通過跟蹤科研前沿，檢索文獻，通過書籍，報紙，網上圖書館等資源，總結前人研究成果，總結出不同種類的光催化材料性能的特點，選擇適合的種類開展研究。

鉍系光催化材料包括鉍的氧化物，硫化物，含鉍的復合氧化物等多種。本文中選定的材料BiOCl帶隙寬度為2.4 eV，然而單一BiOCl材料光催化性能不甚理想，所以才構筑異質結的方法改善其光催化性能[8]。這里選擇BiOCl/BiOI復合光催化材料降解污水中污染物為例。

(2)設計實驗方案

試驗方案的制定主要有學生自主完成，通過大量的文獻查閱和總結，了解了課題目前的研究現狀，設計出可行的實驗方案，指導教師應予以指導，補充和完善方案的不足，可以提出問題交由學生實際解決。以BiOCl/BiOI復合光催化材料為例，有很多種制備方法，常見的有水熱(溶劑熱)法、溶膠-凝膠法、固相法等。在比較不同制備方法后，由學生根據自己的知識儲備情況和操作經驗結合指導老師意見進行選擇。最后實驗方案以書面形式整理出來，并用以指導實驗，實驗過程中指導老師參與部分在實驗指導書中也要進行明示。

(3)試樣制備

根據擬定的實驗方案進行材料制備。在實驗過程中，指導老師要給與充分指導，嚴格操作規范，遵守操作守則，同時儀器藥品使用要得當，要保證安全可靠，在實驗過程中，因操作不當或者不熟練原因造成實驗偏差要及時糾正，以保證獲得良好的實驗結果。

(4)試樣性能測試和表征結果分析

材料的性能優劣決定實驗的成敗。在實驗中要積極進行性能的測定，以保證實驗順利進行。光催化材料的前期性能主要測定吸光度指標，保留效果良好試樣進行下一步實驗。在測試中要求學生能夠熟練操作紫外-可見分光光度計對污染物進行標定。學生應嚴格按照規范操作，防止污染和保持衛生清潔，確保測試結果的準確性。

對光催化性能優良的樣品再進行表征，學生主要學會通過對表征結果進行分析得出材料的形貌、晶體結構、組成成分以及比表面積和孔徑尺寸大小特征；熟練使用Excel、Origh等辦公軟件。在該階段，指導老師指導學生對表征結果進行分析，同時學會使用辦公軟件進行數據處理，圖表繪制，分析。

(5)實驗歸納總結，撰寫科技論文

實驗結束后，學生要及時記錄整理實驗原始數據，總結歸納，結合前期研究成果撰寫科技論文或者實驗總結。

本文以BiOCl/BiOI復合光催化材料的制備及光催化性能測試為例，引用前人已發表文獻中的一些主要測試結果，并對各種結果的作用略加說明。

圖2為BiOCl/BiOI復合光催化材料降解污染物的光催化曲線圖。與純BiOCl和純BiOI相比，BiOCl/BiOI復合光催化材料光催化活性有很大提升，說明異質結的構筑效果達到了預期目標[9]。

圖2 不同復合材料對活性艷紅 X-3B 的可見光降解曲線[9]

X射線衍射測試(XRD)可以用于分析材料的物相組成，圖3為BiOCl/BiOI復合材料的XRD圖譜。通過圖譜，檢測到BiOI、BiOI/BiOCl復合材料的衍射峰[10]。而學生在實驗中如果某些原因，無法獲得理想的產物，指導教師應指導學生及時調整合成方案來完成項目。

圖3 BiOCl/BiOI復合材料的XRD圖譜[10]

圖4(a～b)為BiOCl/BiOI樣品的SEM照片，纖維狀和顆粒結合良好。結合圖3的XRD結果，可以看出已成功制備出復合光催化材料 BiOCl/BiOI[11]。

圖4 BiOCl/BiOI復合材料SEM[11]

圖5是BiOCl/BiOI復合材料XPS譜圖，XPS分析研究了材料表面元素的價態，制備的復合材料中兩相得到了很好的復合，而且并沒有改變元素的價態[9]。

圖5 BiOCl/BiOI復合材料XPS譜圖[9]

圖6 可見光下光催化去除氣相Hg0的機理[12]

在實驗中，如果測試條件足夠，還可以增加紫外-可見光吸收光譜(UV-vis)，EDS，電流阻抗等的測試，以豐富實驗的內容。這樣通過材料的制備、性能測試和表征，讓學生掌握科研的思路，培養學生科研的精神，同時為以后課程的學習打下基礎。

5 結 語

將功能材料中光催化材料的制備設置為開放性實驗項目，具有明顯的現實意義，利用開放實驗平臺進行鉍基光催化材料的制備，性能測試和表征，有利于學生更好的理解化學和材料的聯系，為以后的專業學習打下良好的基礎。通過實踐，更容易掌握課程相關的理論知識，并應用工程實踐，課題提高學習樂趣，啟迪學生的科研思維。通過科技論文寫作，也為參加大學生創新實踐活動或者為畢業論文的撰寫打下良好基礎。總之通過開設創新型、開放性實驗項目，可以提高學生的學習興趣，發揮學習能動性，增強學生創新能力和創新精神，培養學生團隊意識，進一步提高高素質人才的培養質量。