MXene融入化學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)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(xué)、光化學(xué)及催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用引起研究者們的廣泛關(guān)注，與大學(xué)化學(xué)課程具有高度相關(guān)性。將MXene最新的研究方法和成果融入到大學(xué)化學(xué)教學(xué)中，在加強(qiáng)無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)及環(huán)境化學(xué)等大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力，促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，為世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的發(fā)展提供新的思路。

【關(guān)鍵詞】? ?化學(xué)教學(xué);二維材料;創(chuàng)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(xiàn)標(biāo)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(xué)Gogotsi教授及Barsoum教授課題組在2011年發(fā)現(xiàn)的新型二維材料[1]，在儲能器件、電化學(xué)、光化學(xué)、催化等領(lǐng)域引起了科研人員的廣泛關(guān)注，與大學(xué)化學(xué)知識具有高度的相關(guān)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(qū)體是MAX相。但是，人們曾認(rèn)為MAX相鄰層之間的共價(jià)鍵或金屬鍵很強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)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(qū)體使合成的新型MXene材料更加豐富。

MXene二維材料與化學(xué)教學(xué)的融合有利于大學(xué)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)到最前沿的創(chuàng)新知識、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)以改革創(chuàng)新為核心的時(shí)代精神、促進(jìn)“雙一流”的建設(shè)。同時(shí)，MXene二維材料與化學(xué)教學(xué)的融合也會推進(jìn)以科技創(chuàng)新為核心的全面創(chuàng)新及實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的第一動力的重要作用。本文探討MXene二維材料與化學(xué)教學(xué)融合的內(nèi)容包括MXene與無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)及環(huán)境化學(xué)等化學(xué)課程的科教融合（圖1）。

1? ? ?MXene融入無機(jī)化學(xué)教學(xué)

由于MXene是無機(jī)化合物，所以MXene的前沿科學(xué)研究和傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)融合對培養(yǎng)創(chuàng)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(tǒng)無機(jī)化學(xué)教學(xué)中在講解碳族物質(zhì)和氮族物質(zhì)時(shí)可以引入MXene作為擴(kuò)充，增加碳族和氮族章節(jié)的創(chuàng)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(jī)化學(xué)教學(xué)中可以讓學(xué)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(fā)學(xué)生突破傳統(tǒng)無機(jī)化學(xué)教學(xué)的固定思維和最新文獻(xiàn)中的一般定論，為發(fā)現(xiàn)顛覆性的新型MXene物質(zhì)提供理論準(zhǔn)備。MXene剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)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(zhì)疑和不斷猜想中發(fā)現(xiàn)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(guān)內(nèi)容中拓展金屬化合物的最好范例。同時(shí)，MXene中的前過渡金屬這一概念可以用來讓學(xué)生了解怎么區(qū)分前過渡金屬和后過渡金屬。不過，據(jù)我們所知，至今報(bào)道中MXene的M元素一般認(rèn)為是ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素[4]，部分文獻(xiàn)已經(jīng)拓展到其它元素[5]。用這樣的思維和問題激發(fā)學(xué)生去猜想新型MXene中的M元素是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的良好方略。

2? ? ?MXene融入有機(jī)化學(xué)教學(xué)

由于MXene材料的高效催化作用，傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)教材中鹵代烷烴的親核取代反應(yīng)（圖2a）可以創(chuàng)新性的拓展到二氧化碳（CO2）的甲?；磻?yīng)當(dāng)中（圖2b），為有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供新思路。MXene材料催化轉(zhuǎn)化CO2的甲?；磻?yīng)[7]能使學(xué)生充分了解MXene的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和最新應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)課程中的重要作用。同時(shí)，MXene融入CO2的甲酰化反應(yīng)型親核取代反應(yīng)能增強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)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(tuán)[7]，但是常規(guī)思維中CO2中的氧原子一般被認(rèn)為不易脫去。胺類衍生物可以作為親核試劑[7]，但是有機(jī)化學(xué)教材中認(rèn)為只有氨氣才是優(yōu)良的親核試劑，這樣親核試劑便創(chuàng)新性的從氨氣拓展到伯胺和仲胺。更為重要的是傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)教材認(rèn)為親核基團(tuán)的供電性越強(qiáng)，親核取代反應(yīng)的效率更高[6]。但是，MXene催化轉(zhuǎn)化CO2的甲?；磻?yīng)并非完全如此：仲胺和脂肪胺等親核試劑的供電性最強(qiáng)，親核取代反應(yīng)的產(chǎn)率最高（接近100%），芳香胺苯環(huán)上取代供電子基團(tuán)卻并沒有促進(jìn)產(chǎn)物產(chǎn)率的提高反而使產(chǎn)率降低（圖2c）[7]，從而有利于促進(jìn)學(xué)生去探索影響親核取代反應(yīng)除親核試劑親核性以外的因素，如雙分子反應(yīng)SN2機(jī)理的位阻效應(yīng)。SN2機(jī)理的位阻效應(yīng)認(rèn)為位阻效應(yīng)越?。ㄈ绫桨罚┯H核取代反應(yīng)效率越高[6]。

3? ? ?MXene融入分析化學(xué)教學(xué)

MXene在傳統(tǒng)分析化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如紅外光譜、紫外光譜（圖3）。傳統(tǒng)分析化學(xué)教學(xué)一般著重強(qiáng)調(diào)靜態(tài)的紅外光譜，對動態(tài)在線紅外光譜的探討很少，也很難有實(shí)例讓學(xué)生們進(jìn)行深刻的理解。MXene光催化轉(zhuǎn)化CO2的動態(tài)過程和具體機(jī)理可以通過原位動態(tài)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(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物是產(chǎn)生一氧化碳的關(guān)鍵中間產(chǎn)物[8]。這樣便從科學(xué)上揭示了MXene催化轉(zhuǎn)化CO2生成CO的微觀機(jī)制。另外，傳統(tǒng)分析化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生創(chuàng)造性地思考?xì)鈶B(tài)、超臨界等極端狀態(tài)物質(zhì)的紫外測量方略，為將來顛覆性地研發(fā)新型儀器設(shè)備點(diǎn)燃創(chuàng)新的火種。

MXene在現(xiàn)代分析化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)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(xué)作用、光能或電能直接作為激發(fā)源不同，掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡以電子為激發(fā)源;X射線衍射和X射線光電子能譜以X射線為激發(fā)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(xì)微的結(jié)構(gòu)（比如晶格）[8]。X射線光電子能譜主要通過X射線激發(fā)外層電子或價(jià)電子以用于MXene材料表面的元素定性、元素價(jià)態(tài)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(jié)構(gòu)等信息。以MXene為例子講述現(xiàn)代分析化學(xué)的前沿應(yīng)用能促進(jìn)科教融合，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4? ? ?MXene融入物理化學(xué)教學(xué)

MXene二維材料的前沿科學(xué)研究也可以深入融合到物理化學(xué)教學(xué)當(dāng)中，以促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)、膠體界面是物理化學(xué)教學(xué)的主要內(nèi)容[9-10]。其中熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)部分的重點(diǎn)知識，主要解決反應(yīng)變化方向和進(jìn)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(xué)第二定律有一定的作用，但是缺乏定量關(guān)系?？ㄖZ定理、克勞修斯不等式、熵判據(jù)、亥姆霍茲判據(jù)雖然能從定量角度解決熱力學(xué)第二定律的方向和限度問題，但是，吉布斯判據(jù)的使用范圍更大（圖4a）。這是因?yàn)榧妓古袚?jù)適用的必須條件是等溫等壓，與日常發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件最為接近。不過，物理化學(xué)教材上吉布斯判據(jù)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(yīng)、金剛石和石墨晶體的轉(zhuǎn)化。如果在熱力學(xué)第二定律吉布斯判據(jù)的使用范例中加入最前沿的科學(xué)研究成果，那么將會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新欲望。

MXene與CO2及水的吉布斯自由能變的數(shù)值符號及大小能說明相互作用力大?。▓D4b）[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(fù)值（分別為-0.86 eV和-0.07 eV），根據(jù)熱力學(xué)第二定律的吉布斯判據(jù)可知Mo3C2型MXene與CO2及水的反應(yīng)方向是趨向于正向發(fā)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(yīng)中，CO2還原生成目標(biāo)產(chǎn)物（如甲烷）的反應(yīng)比水還原生成氫氣的副反應(yīng)更加容易發(fā)生，即法拉第效率和選擇性更大[4]。Cr3C2型MXene也有相似的結(jié)論（圖4b）[4]。學(xué)生在物理化學(xué)知識學(xué)習(xí)的過程中便能更加深刻地體會到物理化學(xué)理論知識在MXene前沿科學(xué)研究中的重要性，通過設(shè)計(jì)新型的MXene，使其與CO2反應(yīng)的吉布斯自由能作用能變更負(fù)，與水的吉布斯自由能作用能變?yōu)榻咏闵踔翞榱?，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(shè)計(jì)是一個(gè)重大的創(chuàng)新。

5? ? ? MXene融入環(huán)境化學(xué)教學(xué)

MXene融入揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的治理對大學(xué)生利用環(huán)境化學(xué)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(xué)生聚焦現(xiàn)實(shí)最重要的問題來發(fā)揮創(chuàng)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(xiàng)指標(biāo)呈下降態(tài)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(fā)性有機(jī)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(fù)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(yán)重，這與溫室氣體（如CO2）引起的氣溫升高有一定的關(guān)聯(lián)。MXene捕集和轉(zhuǎn)化溫室氣體CO2[7， 12]既能讓學(xué)生深刻地理解環(huán)境化學(xué)的知識，又能激發(fā)學(xué)生提出創(chuàng)新性方法去解決實(shí)際問題的興趣。（圖5）

MXene融入環(huán)境化學(xué)教學(xué)中的廢水處理也具有重要意義。Pb2+、Cd2+等是河北雄安新區(qū)白洋淀水域中的重要污染重金屬離子[13-15]。傳統(tǒng)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(fù)電荷基團(tuán)，對廢水中重金屬離子具有較大的吸附量[16-17]。這對大學(xué)生用環(huán)境化學(xué)知識服務(wù)美麗雄安的建設(shè)提供新型解決思路。核能是清潔、高效且環(huán)保的新能源，核廢料是核能發(fā)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(fù)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(jī)染料也是工業(yè)和生活廢水中常見的成分，MXene和鐵酸鉍的復(fù)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(xué)方法治理廢水污染物的方法提供新思路，有利于激發(fā)大學(xué)生尋找更加高效的新型MXene型光催化劑。

6? ? ?總結(jié)

MXene與大學(xué)化學(xué)教學(xué)具有高度的相關(guān)性，MXene與化學(xué)教學(xué)的科教融合模式有利于提高大學(xué)生在無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和環(huán)境化學(xué)等具體學(xué)科的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，進(jìn)而培養(yǎng)其專業(yè)綜合能力、自我學(xué)習(xí)能力、勇于探索的創(chuàng)造力。MXene的最新科學(xué)研究與化學(xué)教學(xué)的科教融合能促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，為世界一流大學(xué)的建設(shè)和一流學(xué)科的發(fā)展提供新思路。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Naguib M.， Kurtoglu M.， Presser V.， et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2 [J]. Adv. Mater，2011， 23 （37）： 4248-4253.

[2] Anasori B.， Lukatskaya M.， Gogotsi Y. 2D metal carbides and nitrides （MXenes） for energy storage [J]. Nat. Rev. Mater，2017， 2 （2）： 16098.

[3] Huang K.， Li Z.， Lin J.， et al. Two-dimensional transition metal carbides and nitrides （MXenes） for biomedical applications [J].Chem. Soc. Rev，2018， 47 （14）： 5109-5124.

[4] Li N.， Chen X.， Ong W.， et al. Understanding of Electrochemical Mechanisms for CO2 Capture and Conversion into Hydrocarbon Fuels in Transition-Metal Carbides （MXenes） [J]. ACS Nano， 2017， 11 （11）： 10825-10833.

[5] Xiao Y.， Zhang W. High throughput screening of M3C2 MXenes for efficient CO2 reduction conversion into hydrocarbon fuels [J]. Nanoscale，2020， 12 （14）： 7660-7673.

[6] 胡宏紋.有機(jī)化學(xué) （4版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2013.

[7] Zhao D.， Chen? Z.， Yang? W.， et al. MXene （Ti3C2） Vacancy-Confined Single-Atom Catalyst for Efficient Functionalization of CO2 [J]. J. Am. Chem. Soc，2019， 141 （9）： 4086-4093.

[8] Yang C.， Tan Q.， Li Q.， et al. 2D/2D Ti3C2 MXene/g-C3N4 nanosheets heterojunction for high efficient CO2 reduction photocatalyst： Dual effects of urea [J]. Appl. Catal. B-Environ，2020（268）：118738.

[9] 傅獻(xiàn)彩， 沈文霞， 姚天揚(yáng)， 等. 物理化學(xué) （5版）[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[10] 朱文濤.物理化學(xué) （1版）[M].? 北京：清華大學(xué)出版社， 1995.

[11] Huang G.， Li S.， Liu L.， et al. Ti3C2 MXene-modified Bi2WO6 nanoplates for efficient photodegradation of volatile organic compounds [J]. Appl. Surf. Sci，2020（503）： 144183.

[12] Morales-Garcia A.， Fernandez-Fernandez A.， Vines F.， et al. CO2 abatement using two-dimensional MXene carbides [J]. J. Mater. Chem. A，2018，6（8）： 3381-3385.

[13] 汪敬忠， 劉卓， 魏浩， 等. 白洋淀表層沉積物元素的空間特征、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及來源分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2020， 41 （1）： 224-231.

[14] 高秋生， 田自強(qiáng)， 焦立新， 等. 白洋淀重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2019， 9 （1）： 66-75.

[15] 薛培英， 趙全利， 王亞瓊， 等. 白洋淀沉積物-沉水植物-水系統(tǒng)重金屬污染分布特征[J].湖泊科學(xué)， 2018， 30 （6）： 1525-1536.

[16] Jun B.， Her N.， Park C.， et al. Effective removal of Pb（ii） from synthetic wastewater using Ti3C2Tx MXene， Environ.Sci [J]. Water Res. Technol，2020， 6 （1）： 173-180.

[17] Jun B.， Park C.， Heo J.， et al. Adsorption of Ba2+ and Sr2+ on Ti3C2Tx MXene in model fracking wastewater [J]. J. Environ. Manage，2020（256）：109940.

[18] Jun B.， Jang M.， Park C.， et al. Selective adsorption of Cs+ by MXene （Ti3C2Tx） from model low-level radioactive wastewater[J].Nucl. Eng. Technol，2020，52（6）： 1201-1207.

[19] 宋環(huán)， 王琳， 王宏青， 等. 堿化Ti3C2Tx MXene對Eu（Ⅲ）高效去除與機(jī)理研究[J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào)， 2020， 35 （1）： 65-72.

[20] Iqbal M.， Tariq A.， Zaheer A.， et al. Ti3C2-MXene/Bismuth Ferrite Nanohybrids for Efficient Degradation of Organic Dyes and Colorless Pollutants [J]. Acs Omega，2019， 4 （24）： 20530-20539.