氮化碳納米片的合成、結(jié)構(gòu)表征和光催化性能測試
——基于科教融合的化學(xué)綜合實驗

張明文，陳儀，魏小蓮，陳益賓

（福建技術(shù)師范學(xué)院材料與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建福清 350300）

科教融合將科研與教學(xué)在形式和內(nèi)容上互相滲透，是培養(yǎng)應(yīng)用和創(chuàng)新兼?zhèn)湫腿瞬诺挠行緩絒1].針對化學(xué)專業(yè)本科生的人才培養(yǎng)，應(yīng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，積極通過科教深度融合的教學(xué)模式進(jìn)行人才培養(yǎng)：一方面，教師的創(chuàng)新研究應(yīng)因地制宜轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生有機(jī)會接觸到最新、最前沿的化學(xué)相關(guān)學(xué)科知識；另一方面，科學(xué)研究應(yīng)作為本科培養(yǎng)的一種有效方式，鼓勵學(xué)生參與創(chuàng)新研究，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力[2].

化學(xué)綜合實驗是在教育部《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》中“增加綜合性與創(chuàng)新性實驗，引導(dǎo)大學(xué)生了解多種學(xué)術(shù)觀點并開展討論，追蹤本學(xué)科領(lǐng)域最新進(jìn)展，提高自主學(xué)習(xí)和獨立研究的能力”的號召下，在無機(jī)、分析、物化、有機(jī)等基礎(chǔ)化學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)的綜合性實驗課程，旨在強(qiáng)化化學(xué)相關(guān)知識和實驗方法的綜合應(yīng)用，最終達(dá)到解決化學(xué)相關(guān)方面綜合問題的目的[3].在“科教融合”大背景下的化學(xué)綜合實驗，不僅要能夠突出應(yīng)用型高校的辦學(xué)特色和專業(yè)特點，還要利用學(xué)校在教學(xué)和科研方面的資源，讓學(xué)生能夠有意識地聚焦科技前沿，抓住關(guān)鍵科學(xué)問題，設(shè)計合理的實驗方案，通過一系列的實驗手段，借助相關(guān)基礎(chǔ)化學(xué)理論知識進(jìn)行分析討論，從而解決相關(guān)科學(xué)問題[4].本文結(jié)合了化學(xué)綜合實驗教學(xué)目的和自身科研成果，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注當(dāng)今社會能源短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)實問題，以光催化新興技術(shù)為切入點，將探尋兼具量子效率、可見光利用率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的光催化劑為目標(biāo)，設(shè)計了題為“氮化碳納米片光催化劑的合成、結(jié)構(gòu)表征和性能測試”的綜合化學(xué)實驗.本實驗新穎、成熟、安全、低耗，將前沿科學(xué)研究理念與啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合，不僅提升了學(xué)生對前沿科技的洞察力，而且強(qiáng)化了學(xué)生基礎(chǔ)化學(xué)實驗操作和理論知識綜合運用，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高.

1 教學(xué)設(shè)計的背景及意義

現(xiàn)代工業(yè)化的迅猛發(fā)展，大量消耗不可再生的化石燃料，同時排放出有毒污染物，引發(fā)嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境惡化等問題[5].以羅丹明B為例[6]，它是一種典型的堿性三苯甲烷類染料，穩(wěn)定性強(qiáng)、難以降解，進(jìn)入到環(huán)境后容易造成環(huán)境污染，有一定的致癌性.若以羅丹明B為對象進(jìn)行降解研究，能夠給三苯甲烷染料廢水治理帶來一定的參考價值.

半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一個多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域[7].該技術(shù)可將低密度的太陽能轉(zhuǎn)化為高密度的化學(xué)能（如氫氣、甲烷等），亦或以太陽光作為驅(qū)動力來降解、礦化有機(jī)污染物，有望解決能源短缺和環(huán)境污染等問題.現(xiàn)市面上已出現(xiàn)相關(guān)以光催化技術(shù)為核心的環(huán)境污染控制技術(shù)[8].該技術(shù)領(lǐng)域的核心課題是研制太陽能利用率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、廉價易得的光催化劑.傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光催化劑主要為含過渡金屬的化合物[5].然而它們之中尚無法同時滿足上述要求，且主要組分大都包含昂貴的稀有金屬元素，難以實現(xiàn)大規(guī)模實際應(yīng)用.氮化碳（g-CN）具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，層層之間通過范德華力連接，而層內(nèi)多以七嗪為基本單元通過N原子橋連起來，結(jié)構(gòu)模型如圖1.基本單元中的C和N原子都發(fā)生sp2雜化，而未雜化的pz軌道可以形成大的芳環(huán)π鍵，構(gòu)成一個高度離域的共軛體系.這樣的共軛體系使其具有半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，能吸收波長小于460 nm的光，并激發(fā)出有一定還原性的電子和一定氧化性的空穴，參與各類匹配的還原氧化反應(yīng).g-CN可由多種富含N的有機(jī)小分子通過熱聚合的方式合成；g-CN不溶于酸、堿或有機(jī)溶劑，是一種非常穩(wěn)定的材料；其聚合物的本質(zhì)有利于從分子層面上通過表面化學(xué)工程手段來調(diào)控g-CN的化學(xué)性質(zhì).因此g-CN作為一種不含金屬組分的可見光光催化劑，具有廉價、穩(wěn)定、易于改性等特點，廣泛用于光催化水的分解、有機(jī)物的綠色合成、有機(jī)污染物的降解礦化等，至今仍是前沿科研的熱點材料[10].然而，較高的光生電子和空穴的復(fù)合率，較低的可見光響應(yīng)（無法吸收大于460 nm波長的光）和表面?zhèn)髻|(zhì)效率等，限制了g-CN的實際應(yīng)用.針對這些科學(xué)難題，科研人員開展了大量的改性研究工作來優(yōu)化g-CN的光催化活性，包括制備方法優(yōu)化與納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、元素?fù)诫s、共聚合改性、異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑等.

圖1 最常見的g-CN單層結(jié)構(gòu)模型[9]

本文所涉及的科教融合化學(xué)綜合實驗教學(xué)設(shè)計，應(yīng)在學(xué)生掌握化學(xué)學(xué)科理論知識和實驗的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境治理的迫切需求，以氮化碳光催化劑這一熱點材料為例，讓學(xué)生在納米材料的可控合成、結(jié)構(gòu)表征和光降解羅丹明B性能研究等方面開展實驗.學(xué)生可以通過文獻(xiàn)調(diào)研與學(xué)習(xí)，參與綜合創(chuàng)新實驗的相關(guān)具體設(shè)計與實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主參與科學(xué)研究的興趣，掌握開展科學(xué)研究應(yīng)具備的能力，提高其創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力[11].

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

1）了解半導(dǎo)體光催化技術(shù)的原理；

2）了解g-CN的結(jié)構(gòu)特點，掌握合成g-CN納米片的方法；

3）掌握常見的結(jié)構(gòu)、形貌表征手段的基本原理和操作流程；

4）掌握光催化染料降解測試流程，綜合分析“構(gòu)—效”關(guān)系.

2.2 實驗原理

2.2.1 半導(dǎo)體光催化

半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一個多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域[7].光催化過程主要以半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)理論為主：能帶分為價帶（能量低，充滿電子）和導(dǎo)帶（能量高，電子未充滿），價帶、導(dǎo)帶間的寬度稱為禁帶寬度（Eg）；當(dāng)入射光的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度（hv≥ Eg）時，價帶上的電子將會被激發(fā)到導(dǎo)帶上，價帶則因少一個電子而產(chǎn)生一個帶正電的空穴；光生電子和空穴分別具有較強(qiáng)的失電子和得電子的能力，蘊(yùn)含一定的化學(xué)勢；它們?nèi)繇樌w移到材料表面接觸到反應(yīng)物，且符合反應(yīng)熱力學(xué)要求，即可參與相關(guān)反應(yīng)，顯示出還原性和氧化性.

2.2.2 氮化碳光催化劑

聚合物氮化碳（g-CN）是通過富含N的有機(jī)物（如氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺等）通過高溫?zé)峋酆系姆绞将@得，所得產(chǎn)物以七嗪碳氮雜環(huán)（C6N7）為單元通過橋連的N原子相連形成準(zhǔn)二維的平面結(jié)構(gòu).該平面中，C和N原子部分軌道發(fā)生sp2雜化形成C-N鍵，而未雜化的pz軌道則共軛成類似石墨烯的高度離域的結(jié)構(gòu).因此g-CN穩(wěn)定性較強(qiáng)，有一定的半導(dǎo)體性能.然而常規(guī)熱聚合方法只能合成出無規(guī)則塊體的微觀形貌，其在實際應(yīng)用中受限較多，如光生電荷復(fù)合率高等.g-CN納米片具有各向異性的結(jié)構(gòu)特點：暴露出較大的微觀接觸面，有利于太陽光的捕獲和反應(yīng)物的傳質(zhì)作用；其較小的片層厚度，縮短了光生電荷從材料內(nèi)部到表面的遷移距離.因此g-CN納米片在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢[12].本實驗引入三種操作簡便的方法來制備g-CN納米片，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的對比：以二聚氰胺為原料、氯化銨為助劑的軟模板法；在體相g-CN的基礎(chǔ)上通過二次熱處理的熱剝離法；以尿素為原料的自模板法.實驗過程中，可對學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生自行選擇其中一種方法來合成氮化碳納米片.實驗結(jié)束后，可將所有學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理共用，以此探究不同納米片合成方法對結(jié)構(gòu)和光催化降解羅丹明B性能的影響.

2.2.3 粉末X射線衍射儀

粉末X射線衍射儀常用于分析多晶粉末樣品.基本原理是通過一束單波長的X射線照射到隨機(jī)取向分布的粉末固體上，根據(jù)采集器上采集的反射X射線譜線特征，借助Jade軟件進(jìn)行進(jìn)一步的擬合分析，即可獲得樣品的晶型屬性、結(jié)晶度高低和晶面間距變化等晶體結(jié)構(gòu)特征[13].

2.2.4 傅里葉紅外光譜儀

當(dāng)不同紅外波長的光通過不同的化學(xué)基團(tuán)時，其光波吸收情況不同，產(chǎn)生特征吸收峰；不同化合物中相同基團(tuán)的特征吸收峰大致相同.因此通過紅外光譜可以分析化合物中存在的官能團(tuán)和微觀化學(xué)結(jié)構(gòu).本實驗涉及的氮化碳材料屬于由C、N、H非金屬元素組成的共軛共價材料，其表面含有豐富的官能團(tuán)，如-NH2，C-N等，具有極其豐富的紅外光譜信息，因此可用傅里葉紅外光譜儀來表征樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu).

2.2.5 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡是一種微觀形貌的分析工具，其分辨率高于光學(xué)顯微鏡.它主要利用聚焦的高能電子束以光柵狀掃描的方式逐點轟擊到樣品表面，激發(fā)出的不同深度的二次電子信號被樣品上方多種信號接收器接收，再通過放大器同步傳送到電腦顯示屏，將樣品微觀特征形成實時立體圖像顯示出來[14].2.2.6 紫外-可見分光光度計

波長在紫外-可見范圍內(nèi)的光通過物質(zhì)時，會被選擇性的吸收，進(jìn)而引發(fā)物質(zhì)分子振動能級躍遷和電子能級躍遷[15].多數(shù)有機(jī)染料分子中具有較多的共軛鍵和發(fā)色團(tuán)，在200～800 nm波長間有一個特定的吸收峰.利用紫外-可見分光光度計測定有機(jī)染料溶液中的特征吸收峰相對強(qiáng)度值，可定性、定量分析該染料分子在溶液中的濃度，從而研究光降解反應(yīng)速率.

2.3 實驗試劑和儀器

2.3.1 試劑

二聚氰胺，氯化銨，尿素，羅丹明B，去離子水.

2.3.2 儀器

分析天平，研缽，帶蓋坩堝，高溫馬弗爐，粉末X射線衍射儀（XRD），傅里葉紅外光譜儀（FT-IR），掃描電子顯微鏡（SEM），鼓風(fēng)干燥箱，超聲機(jī)，光催化染料降解裝置，離心機(jī)，離心管，容量瓶，量筒，滴管，紫外-可見分光光度計.

2.4 實驗內(nèi)容

2.4.1 體相g-CN和g-CN納米片的合成

將學(xué)生進(jìn)行分組，每組同學(xué)選擇1～2種氮化碳納米片的合成方法，并將所合成樣品與CN-B進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能等方面的對比.

體相g-CN：5.0 g二聚氰胺置于帶蓋坩堝，放入高溫馬弗爐進(jìn)行煅燒（程序：以2.3℃/min的速率從室溫升溫至550 ℃，保溫240 min）.所得黃色塊狀物置于研缽中研磨30 min.記為CN-B.

g-CN納米片-軟模板法：1.0 g二聚氰胺和適量的氯化銨（氯化銨的質(zhì)量可讓學(xué)生在一定范圍內(nèi)自行選擇，如：3 g，5 g，7 g），置于研缽中充分研磨，移入帶蓋坩堝，放入高溫馬弗爐進(jìn)行煅燒（程序：以2.3 ℃/min的速率從室溫升溫至550℃，保溫240 min）.所得淡黃色絮狀物置于研缽中研磨5 min.記為CNA(1:X).

g-CN納米片—熱剝離法：1.0 g CN-B樣品，置于帶蓋坩堝，放入高溫馬弗爐進(jìn)行二次煅燒（以5.0 ℃/min的速率從室溫升溫至550℃，具體的保溫時間可讓學(xué)生在一定范圍內(nèi)自行選擇，如：2 h，4 h，6 h）.所得淡黃色絮狀物用藥勺刮出，并置于研缽中研磨5 min.記為CN-H.

g-CN納米片—自模板法：稱取15.0 g尿素置于帶蓋坩堝，放入高溫馬弗爐進(jìn)行煅燒（程序：以5.0 ℃/min的速率從室溫升溫至550℃，保溫時間可讓學(xué)生在一定范圍內(nèi)自行選擇，如：2 h，3 h，4 h）.所得淡黃色絮狀物置于研缽中研磨5 min.記為CN-U.

2.4.2 氮化碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌表征

采用Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀來測定樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)：在干燥的環(huán)境下（在紅外燈的持續(xù)照射下），將樣品與KBr固體以1∶100的質(zhì)量比進(jìn)行均勻研磨，用磨具壓制成薄而透明的圓片.測試條件：掃描范圍為4 000～400 cm-1，循環(huán)掃描次數(shù)為32次.

采用日本島津Ultima IV型粉末X射線衍射儀來測定樣品的晶型：采用的X射線為Cu靶射線（波長為0.154 nm），工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍設(shè)定為2θ= 5°～ 60°，掃描步長為0.02 o/s.將樣品預(yù)先用研磨至粉狀，移取少量至帶有粗糙凹面的載玻片上，并用另一干凈的載玻片壓實壓平，水平移入該儀器的載物臺上.

采用Thermo Scientific Q250掃描電子顯微鏡來觀察樣品的微觀形貌：1）稱取10 mg至1 mL水中，超聲分散10 min；2）取少量導(dǎo)電膠黏在載物臺上，滴入10 μL上述懸浮液至導(dǎo)電膠上，60 ℃烘箱中烘干（預(yù)先放在帶蓋的表面皿中，避免導(dǎo)電膠污染）；3）將載物臺進(jìn)行噴金（噴金電流10 mA，時間為60 s），以增強(qiáng)氮化碳樣品的導(dǎo)電性；4）放入電鏡樣品臺，調(diào)節(jié)到不同尺度，拍攝有代表性的微觀塊體或納米片狀形貌的圖像.

2.4.3 光催化降解羅丹明B的性能測試實驗

1）羅丹明B母液的配置：采用萬分之一天平準(zhǔn)確稱取干燥的羅丹明B 0.040 0 g，用去離子水進(jìn)行溶解定容到500 mL容量瓶中，最終得到質(zhì)量濃度為80 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液.

2）樣品的光催化染料降解實驗

A.打開循環(huán)冷凝水，設(shè)置循環(huán)冷凝水溫度為20℃，以恒定保溫夾套中的溫度.

B.打開紫外-分光光度計，待穩(wěn)定后設(shè)置相關(guān)參數(shù).

C.準(zhǔn)確量取5.0 mL的羅丹明B母液倒入反應(yīng)器（扁平瓶），并加入75 mL去離子水，配制成質(zhì)量濃度為10 mg/L的羅丹明B待降解溶液.取2 mL待測，此濃度記為c0.

D.稱取20 mg光催化劑（氮化碳）加入上述溶液中，超聲分散1 min.將反應(yīng)器置于恒溫夾套中，并在夾套中加入適量水.往反應(yīng)瓶中加入磁力子，將裝置放在攪拌器上攪拌.

E.反應(yīng)器用錫箔紙蓋住，進(jìn)行暗吸附實驗，半小時后取樣（2 mL反應(yīng)液）到離心管中，待測.暗吸附后，樣品將達(dá)到吸附平衡.

F.打開LED燈（50 W，420 nm），燈源緊靠保溫夾套外延.不同催化劑的降解速率快慢有所區(qū)別，按實際情況每隔2～30 min取樣一次，每次取樣2 mL，待測.待溶液無色后可停止取樣.

3）紫外-可見光譜法測試羅丹明B濃度的變化

A.將待降解羅丹明B溶液移入比色皿中，測其紫外-可見吸收光譜圖，確定其最強(qiáng)吸光度所對應(yīng)的波長數(shù)值.

B.將上述暗吸附過程和光照過程中所取的懸濁液通過離心機(jī)（轉(zhuǎn)數(shù)n=10 000 n/min）離心10 min，按順序依次移取上清液到比色皿中，并在最大吸光波長處測定其吸光值，確定光催化在吸附、光降解過程中羅丹明B的濃度變化率c/c0.由于吸光度A和濃度c成正比，兩者關(guān)系符合比爾朗伯定律，且同一系列待測溶液中的其它參數(shù)為固定數(shù)值，因此c/c0= A/A0.

2.5 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論

2.5.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成“.CSV”的格式，并用origin軟件進(jìn)行作圖.根據(jù)FT-IR的譜圖特征，結(jié)合所學(xué)的《波譜學(xué)》課程內(nèi)容，可對測試樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)做出深入地分析.如圖2所示，所有氮化碳材料的FT-IR譜圖有以下三組特征的紅外吸收峰[16]，分別位于3 500～3 000 cm-1、1 600～1 200 cm-1和 810 cm-1.其中3 500～3 000 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰范圍較大較寬，主要是N-H鍵和O-H鍵的伸縮振動，歸屬于氮化碳表面未完全聚合的氨基和材料吸附的水分子.在1 600～1 200 cm-1內(nèi)的吸收峰是C=N鍵和C-N鍵的伸縮振動引起的，在810 cm-1處出現(xiàn)的尖峰是七嗪環(huán)的呼吸振動，這說明所合成的氮化碳具有七嗪環(huán)的分子結(jié)構(gòu).由于氮化碳納米片的微觀形貌結(jié)構(gòu)開放，表面末端氨基增多，吸附水的能力較強(qiáng)，因此FT-IR譜圖特征與體相氮化碳CN-B有一定區(qū)別，特別在3 500～3 000 cm-1范圍內(nèi)的紅外吸收較強(qiáng)，亦有一定的峰的偏移，應(yīng)仔細(xì)對比分析.

圖2 體相氮化碳CN-B與不同氮化碳納米片CN-A、CN-H、CN-U的FT-IR對比圖

2.5.2 晶體結(jié)構(gòu)

將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成“.txt”的格式，并用origin軟件進(jìn)行作圖.根據(jù)XRD的譜圖峰的2θ值和強(qiáng)弱情況，對測試樣品的晶體結(jié)構(gòu)做出分析，如圖3.體相氮化碳CN-B的XRD譜圖特征有以下兩個特征峰，分別位于27.4°和13.0°.其中2θ值為27.4°的主特征峰，是層間堆疊的（002）晶面衍射.2θ值為13.0°的特征峰表示氮化碳七嗪結(jié)構(gòu)重復(fù)單元的（100）晶面衍射.相比于CN-B，氮化碳納米片的XRD圖相特征基本不會改變.但是由于納米片中層間堆疊方向上的尺寸減少，因此（002）晶面衍射將會變矮變寬，即氮化碳晶型有一定程度的破壞.此外，CN-A和CN-U兩種納米片的合成方法是依靠熱聚合過程中產(chǎn)生大量氣體使氮化碳層與層的剝離，因此其層間堆疊的間距發(fā)生變化，顯示出（002）峰會向高角度偏移[17].

2.5.3 微觀形貌

通過SEM照片，可以將氮化碳的微觀形貌進(jìn)行放大，如圖4.借助照片上的標(biāo)尺，我們也可以測量出樣品的尺寸大小.典型的體相氮化碳CN-B的SEM圖是形狀不規(guī)則、表面致密的板塊結(jié)構(gòu).三種氮化碳納米片的SEM照片顯示出明顯的片狀形貌.其中，CN-H和CN-U兩種納米片由于張力的作用發(fā)生卷曲[17].從圖中還能比較出，CN-U的納米片形貌最好，且孔洞較多，這將有利于光催化性能的提升.

圖3 體相氮化碳CN-B與不同氮化碳納米片CN-A、CN-H、CN-U的XRD對比圖

圖4 體相氮化碳CN-B與不同氮化碳納米片CN-A、CN-H、CN-U的SEM對比圖

2.5.4 光催化染料降解

由羅丹明B的紫外-可見吸收光譜圖中標(biāo)出其最大吸收峰的波長位置（λ=554 nm）[6].以時間為橫坐標(biāo)、c/c0為縱坐標(biāo)，做出羅丹明B暗吸附和光催化降解曲線圖.從圖5可以看出，在暗吸附過程，氮化碳納米片顯示出較大的吸附容量，這與納米片開放的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān).不同方法合成的納米片相比于體相氮化碳CN-B，其光催化染料降解速率都有明顯的提升，其中CN-U的活性相對較高.

圖5 體相氮化碳CN-B與不同氮化碳納米片CN-A、CN-H、CN-U的光催化降解羅丹明B速率對比圖

2.5.5 構(gòu)—效關(guān)系的討論

把所有分組的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，討論光催化劑的結(jié)構(gòu)與效率之間的關(guān)系.引導(dǎo)學(xué)生從取得的實驗結(jié)果和已解決的部分科學(xué)問題出發(fā)，分析討論還存在的問題以及可能解決問題的方案.

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 授課對象及課前準(zhǔn)備

本實驗是一門面向化學(xué)、材料相關(guān)專業(yè)的本科綜合實驗.本實驗適用的學(xué)生層次是已掌握四大基礎(chǔ)化學(xué)和儀器分析相關(guān)理論知識及其實驗技能的大三至大四本科生.此外，學(xué)生應(yīng)在實驗開展前，自主進(jìn)行相關(guān)項目的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備：查閱文獻(xiàn)或本實驗課件，了解光催化、光催化劑等相關(guān)概念及原理；了解g-CN在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用及常見合成、改性方法；復(fù)習(xí)XRD、FT-IR、SEM、紫外-可見分光光度計的基本工作原理和數(shù)據(jù)處理方法.

3.2 學(xué)時安排

本實驗計劃設(shè)置16學(xué)時，具體安排如下：

1～4學(xué)時：進(jìn)行背景知識的講解，以及樣品光催化劑的合成（為節(jié)約時間，體相g-CN的制備可由老師提前合成準(zhǔn)備；樣品的合成可能需要持續(xù)等待較多時間，因此可在開始熱處理1天后進(jìn)行第二階段的實驗）；

5～10學(xué)時：樣品的結(jié)構(gòu)、形貌表征測試.XRD、FT-IR、SEM三個測試操作單元各2個學(xué)時.可對學(xué)生進(jìn)行分組，交替進(jìn)行；

11～16學(xué)時：進(jìn)行樣品的光降解染料性能實驗，并通過紫外-可見分光光度計測試羅丹明B濃度的變化規(guī)律.

3.3 實驗過程實施

本實驗依據(jù)“以問題為導(dǎo)向——尋求解決策略——實驗探索——分析討論——總結(jié)”的思路進(jìn)行實施，引導(dǎo)學(xué)生互相探討實驗設(shè)計及結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).教師向?qū)W生講解光催化技術(shù)背景和原理，介紹g-CN光催化劑的特點，讓學(xué)生理解研究的意義；提出g-CN光催化劑目前存在的問題，并讓學(xué)生查閱資料，確定合成g-CN納米片的合成策略及相關(guān)工藝參數(shù)；進(jìn)行分組（分成四大組：一組主要研究軟模板法，二組主要研究熱剝離法，三組主要研究自模板法，四組綜合研究三組方法的異同；每個大組進(jìn)行若干單因素變量的實驗），引導(dǎo)學(xué)生在本實驗框架下互相探討，并進(jìn)行材料制備、結(jié)構(gòu)表征和性能測試實驗；分析單因素變量對材料結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而討論對光降解性能的影響；總結(jié)“構(gòu)—效”關(guān)系，并指導(dǎo)高效光催化劑的合成.

3.4 思考題

為了讓學(xué)生更加深入地思考和學(xué)習(xí)這個實驗，可以設(shè)置如下思考題供學(xué)生思考、討論.

1）三種方法（軟模板法、熱剝離法和自模板法）合成g-CN納米片的原理是什么？從體相g-CN到g-CN納米片的過程中，最需要破壞的化學(xué)鍵是什么？

2）相對于體相g-CN，g-CN納米片中的XRD圖有何顯著的變化趨勢？為什么?

3）本實驗中，如何根據(jù)溶液的吸光度值的變化初步判斷光降解活性的優(yōu)劣？影響光催化降解效率的因素有哪些？

4）請?zhí)岢鲆恍┛尚械母男圆呗?，以實現(xiàn)g-CN的實際應(yīng)用.

3.5 實驗完成評價

實驗結(jié)束后，各組同學(xué)整理相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，用origin或excel數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行作圖，并共享所有數(shù)據(jù).通過模擬學(xué)術(shù)報告交流會的方式，對實驗條件及相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，并要求學(xué)生能夠按照科技論文的格式完成相應(yīng)實驗報告的撰寫.

教師應(yīng)從多個方面綜合評定學(xué)生的實驗成績：實驗操作，能按實驗步驟進(jìn)行，重點考察溶液配制、移取、稀釋等基礎(chǔ)實驗操作和學(xué)生實驗安全意識；數(shù)據(jù)處理，合理運用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，作出直觀、美觀的數(shù)據(jù)圖，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析討論；匯報討論，對相關(guān)科研背景知識、科學(xué)原理有一定的了解，能以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，根據(jù)材料的特點進(jìn)行針對性地改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)合相關(guān)表征手段的實驗數(shù)據(jù)，適當(dāng)討論材料的“構(gòu)—效”關(guān)系；科技論文格式的完整性.

4 結(jié)語

本文設(shè)計了題為“氮化碳納米片光催化劑的合成、結(jié)構(gòu)表征和性能測試”的實驗教學(xué)項目.首先以半導(dǎo)體光催化新技術(shù)為切入點，讓學(xué)生聚焦科學(xué)前沿，了解氮化碳的發(fā)展現(xiàn)狀和亟待解決的問題；其次掌握氮化碳的結(jié)構(gòu)特點和合成方法，引導(dǎo)學(xué)生運用多種納米材料的改性策略，制備氮化碳納米片光催化劑；再次掌握基本的化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)表征手段，通過實驗方案的合理設(shè)計，借助相關(guān)化學(xué)基礎(chǔ)知識，分析所制備的氮化碳納米片的結(jié)構(gòu)；最后利用光催化降解羅丹明B的實驗，讓學(xué)生探索對比不同改性策略的特點.在該實驗教學(xué)過程中，通過“引導(dǎo)——設(shè)計——探索”的模式，可以讓學(xué)生對化學(xué)基礎(chǔ)知識和實驗操作的得到全面的鞏固和提升，掌握部分大型儀器的測試方法和原理，具備前沿科學(xué)研究的洞察力，有利于創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)的培養(yǎng).