菱面體形CeO2的制備及其光催化性能綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳歡歡，汪應(yīng)玲，孫桂芳，朱彥榮，羅紹華

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

0 引言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)和核心，在學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)過程中處于重要地位［1-2］。在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的背景下，建立一種以學(xué)生為主導(dǎo)，綜合且開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)課程改革的熱點(diǎn)問題［3］，因此，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求，也是本科教學(xué)改革的重要方法［3-5］。

當(dāng)前，水體污染已成為我國(guó)環(huán)境治理和控制的焦點(diǎn)問題［6］。傳統(tǒng)的水處理技術(shù)存在處理周期長(zhǎng)、成本高、反應(yīng)不徹底、容易造成二次污染等缺點(diǎn)。光催化技術(shù)因具有溫和的反應(yīng)條件且能夠直接利用太陽能將各種水體污染物進(jìn)行高效無害化處理的特點(diǎn)，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(dǎo)體的性質(zhì)，由于其具有優(yōu)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(xué)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(shù)，本文設(shè)計(jì)了菱面體形CeO2催化劑制備及光催化性能的綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包括樣品的制備、表征、性能測(cè)試等過程，模擬完整的科研實(shí)驗(yàn)流程。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器：微波反應(yīng)器，臺(tái)式高速離心機(jī)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，馬弗爐，電子天平，電子pH計(jì)，X射線衍射儀，場(chǎng)發(fā)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(jì)。

試劑：硝酸鈰，聚乙二醇6000，尿素等均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 菱面體形CeO2粒子制備

通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)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(zhuǎn)移到250 mL燒瓶中進(jìn)行微波回流反應(yīng)。微波處理一定時(shí)間后，反應(yīng)生成大量沉淀。離心收集產(chǎn)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(shí)驗(yàn)示意圖。

圖1 微波法合成CeO2示意圖

1.3 光催化性能測(cè)試

在紫外光照射下，通過考察不同條件下制備的CeO2粒子對(duì)苯酚溶液的降解能力來評(píng)價(jià)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(huán)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(shí)取樣4 mL，離心除去光催化劑。隨后，在270 nm處測(cè)定溶液吸光度。降解率的計(jì)算公式為

其中：A0為初始濃度時(shí)苯酚溶液的吸光度；At為光照時(shí)間為t時(shí)苯酚溶液的吸光度。

2 綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

該綜合實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示，具體包括如下幾部分，①實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，在該環(huán)節(jié)由老師布置實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱確定具體實(shí)驗(yàn)方法，正交試驗(yàn)的影響因素及水平；②對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、組成、形貌等表征工作，該環(huán)節(jié)引入大型儀器設(shè)備的測(cè)試項(xiàng)目，以開闊學(xué)生的視野；③樣品應(yīng)用性能的測(cè)試，將所制備的催化劑用于光催化降解水體污染物，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

圖2 綜合實(shí)驗(yàn)流程圖

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1是根據(jù)文獻(xiàn)資料確定的因素水平表。根據(jù)確定的正交實(shí)驗(yàn)表將全班分成9組，分組進(jìn)行不同因素不同水平下的合成實(shí)驗(yàn)［10］。這樣每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中全班同學(xué)用同一實(shí)驗(yàn)方法、同一實(shí)驗(yàn)條件、共做一個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

9組學(xué)生依據(jù)表1中的因素和水平條件，得到的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)分析正交試驗(yàn)表可知，對(duì)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?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)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(shí)，合成樣品的催化性能最佳。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3 樣品的表征及性能測(cè)試

利用XRD對(duì)制備的CeO2粒子進(jìn)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(jié)晶性［11］。二氧化鈰的衍射峰出現(xiàn)在28.5°，33.1°，47.5°和56.4°。

利用紅外光譜儀測(cè)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(dòng)峰［13］，這與文獻(xiàn)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(dòng)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(qū)體及煅燒后樣品的SEM 圖片?？梢钥吹?，CeO2粒子的形貌為菱面體形。前驅(qū)體粒子的尺寸較大，經(jīng)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(jié)果一致。

圖4 樣品前驅(qū)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(cè)試中，選擇模擬苯酚廢水的降解過程，將樣品的性能測(cè)試與水污染治理這一實(shí)際應(yīng)用課題結(jié)合起來。每個(gè)小組分別測(cè)試自己合成樣品的光催化性能，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間的增加而降低。

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

3 結(jié)語

以綜合型化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為載體，通過實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，研究化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、性能及應(yīng)用，依托學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源并融合了科技前沿知識(shí)，設(shè)計(jì)出了具有一定拓展內(nèi)容的新實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過“文獻(xiàn)查閱－方案制定－方案實(shí)施－樣品表征－性能測(cè)試－結(jié)果分析－論文撰寫”完成整個(gè)探究式實(shí)驗(yàn)過程。在性能測(cè)試環(huán)節(jié)將水污染治理這一實(shí)際應(yīng)用引入到實(shí)驗(yàn)中，有助于提高激發(fā)學(xué)生探索的熱情。實(shí)驗(yàn)過程以學(xué)生為中心，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，鍛煉科研思維以及綜合實(shí)踐能力具有積極地促進(jìn)作用。

·名人名言·

我的人生哲學(xué)是工作，我要揭示大自然的奧秘，并以此為人類服務(wù)。我們?cè)谑赖亩虝旱囊簧校也恢肋€有什么比這種服務(wù)更好的了。

——愛迪生