開放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):水熱法制備葉片狀Fe摻雜Co(OH)2析氧電催化劑

李兵 張永興 劉親壯 李子涵 魯青 潘申成

摘 要：設(shè)計(jì)一款水熱法制備葉片狀Fe摻雜Co（OH）2析氧催化劑開放實(shí)驗(yàn).教學(xué)流程： 前期準(zhǔn)備→實(shí)驗(yàn)過程 →實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和數(shù)據(jù)處理.教學(xué)實(shí)踐表明，開放實(shí)驗(yàn)可以提升學(xué)生對科研實(shí)驗(yàn)的興趣，增加學(xué)生的知識儲備，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和實(shí)踐能力.

關(guān)鍵詞：水熱法;電催化;催化劑;開放實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號]G642 ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Abstract：In this paper，an open experiment was designed to synthesize leaf-like Fe doped Co（OH）2 electrocatalyst by hydrothermal method.The teaching process included preparation，experimental process，analysis of experimental results and data processing，etc.The teaching practice shows that open experiment can not only enhance students' interest in scientific research experiment and increase their knowledge reserve，but also cultivate students' independent thinking ability，teamwork ability and practical ability.

Key words： hydrothermal method;electrocatalysis;catalyst;open experiment

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生創(chuàng)造力的有效載體，設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效手段.[1-4]利用科研平臺和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室推行開放實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)改革，可以有效提高學(xué)生的能力，充分發(fā)揮科研儀器在人才培養(yǎng)中的作用.[5]開放實(shí)驗(yàn)采用教師指定題目和學(xué)生自主選題兩種方式，根據(jù)學(xué)生層次，合理控制實(shí)驗(yàn)難度，具有很大的靈活性. 通過開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，及時追蹤國內(nèi)外新材料發(fā)展的趨勢，掌握材料合成的工藝，深化對材料科學(xué)的認(rèn)識.

隨著化石能源的不斷消耗以及環(huán)境的逐漸惡化，探索可以替代傳統(tǒng)化石燃料的新型能源顯得尤為重要.目前已經(jīng)被人類利用的新能源包括太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能以及氫能.氫氣具有能量密度高、燃燒無污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)，得到了研究者的普遍關(guān)注.[6-7]目前工業(yè)上制備氫氣的方法依賴于化石燃料，大氣污染與化石能源消耗較大，電解水制氫可以完美地避開這一問題.選用合適的電催化劑可以有效降低電解水能耗，極大提升電解水的效率.[8-9]目前已知的最好的電解水催化劑是RuO2和IrO2，但是由于其價格昂貴而無法大規(guī)模應(yīng)用，尋找替代品仍然是亟待解決的問題.Co（OH）2具有類似水鎂石的結(jié)構(gòu)，晶格中羥基離子呈六方密堆積，Co離子填充于兩層羥基離子的八面體間隙中，近年來在電催化分解水方面被廣泛報道.制備Co（OH）2有多種方法，水熱法具有操作簡單、成本低廉、反應(yīng)條件可控度高等優(yōu)點(diǎn)，成為材料制備中使用最廣泛的方法之一.筆者將構(gòu)建水熱法制備葉片狀Fe摻雜Co（OH）2析氧電催化開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生通過開放式實(shí)驗(yàn)，了解國內(nèi)外材料科學(xué)的熱點(diǎn)研究方向，掌握水熱法制備材料的流程，熟悉測試表征儀器的使用.

1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?使用水熱法制備葉片狀Fe摻雜Co（OH）2析氧電催化劑，掌握水熱法制備材料的詳細(xì)流程，熟悉SEM和XRD的基本原理和相關(guān)操作，學(xué)會電化學(xué)工作站的使用，提高對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析的能力.

前期準(zhǔn)備 學(xué)生提前調(diào)研資料，查找文獻(xiàn)，熟悉Co（OH）2材料的物理化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)了解電催化分解水的理論背景與當(dāng)前環(huán)境下的研究進(jìn)展，設(shè)計(jì)樣品制備最佳方案.

實(shí)驗(yàn)過程 第一步，合成實(shí)驗(yàn).熟悉實(shí)驗(yàn)室的一系列儀器（高壓反應(yīng)釜，磁力攪拌器，烘箱等），學(xué)習(xí)儀器的基本操作，完成合成實(shí)驗(yàn).第二步，對樣品的結(jié)構(gòu)、形貌進(jìn)行測試表征，熟悉掃描電子顯微鏡（SEM）和x射線衍射（XRD）的原理，掌握相關(guān)儀器的操作方法.第三，對材料的電催化析氧性能進(jìn)行表征，掌握線性掃描伏安測試法以及循環(huán)伏安法等測試方法，熟練使用電化學(xué)工作站.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和數(shù)據(jù)處理 使用軟件繪圖分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報告，總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程.

2 催化劑材料的制備及表征

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

Co（NO3）2·6H2O（國藥集團(tuán)，分析純），F(xiàn)eSO4·7H2O （國藥集團(tuán)，分析純），無水乙醇 （國藥集團(tuán)，分析純），聚乙烯吡咯烷酮 （PVP，國藥集團(tuán)，分析純），去離子水.

2.2 Fe摻雜Co（OH）2的制備

泡沫鎳（NF）預(yù)處理，去除表面氧化物.將泡沫鎳放置于0.5 M的稀鹽酸中浸泡20分鐘，超聲處理5分鐘;無水乙醇浸泡并超聲處理5分鐘;去離子水浸泡超聲5分鐘;取出室溫晾干待用.稱取2 mmol的Co（NO3）2·6H2O和0.1 mmol的FeSO4·7H2O，放置于干凈的燒杯中，加入30 mL無水乙醇，置于磁力攪拌器中攪拌10分鐘，加入0.25 g PVP攪拌30分鐘，將混合溶液轉(zhuǎn)移到50 mL容積的反應(yīng)釜中.預(yù)處理好的泡沫鎳放置于反應(yīng)釜中，密封后放入烘箱，180 ℃環(huán)境持續(xù)反應(yīng)24小時，待冷卻后取出.將負(fù)載樣品的泡沫鎳用去離子水和乙醇各沖洗三次，晾干待用，反應(yīng)釜底部的沉淀用去離子水和乙醇各離心洗滌三次，真空干燥6小時，收集備用.

2.3 樣品的表征

SEM（JSM-6610L，JE-OL，日本電子）用來觀察樣品的表面形貌， XRD（PANalytical X'pert Cu Kα， λ=1.5406 ，荷蘭PANalytical公司）分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，電化學(xué)工作站 （CHI 760E，上海辰華）研究樣品的電催化析氧活性.電化學(xué)工作站采用三電極體系，碳棒（C）為輔助電極，銀/氯化銀（Ag/AgCl）電極為參比電極，負(fù)載有樣品的泡沫鎳為工作電極， 泡沫鎳尺寸為1 cm×1 cm，電解質(zhì)為1 M的KOH溶液.

3 結(jié)果與討論

圖1（a）和（b）分別是Fe摻雜Co（OH）2在低倍和高倍下的SEM圖像，從圖中可以觀察出Fe摻雜Co（OH）2呈葉片狀生長在泡沫鎳上，大小均勻，葉片長約10 μm，寬約4 μm.圖2是Fe摻雜Co（OH）2的x射線衍射圖譜，在2θ為17.6°和39.2°時，出現(xiàn)兩個較強(qiáng)的衍射峰，對應(yīng)著樣品的（001）和（101）晶面.

圖6為Fe摻雜Co（OH）2材料分別在20，40，60，80，100，120，150 mV/s掃描速度下的循環(huán)伏安（CV）曲線.Fe摻雜Co（OH）2材料的雙電層電容為1.17 mF/cm2，如圖7所示.

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐表明，開放實(shí)驗(yàn)極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，增加了學(xué)生的知識儲備，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和實(shí)踐能力.通過開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將理論知識加以應(yīng)用，讓專業(yè)知識不再局限于書本之中，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維. 教學(xué)過程始終貫徹以學(xué)生為中心的理念，著重培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)研文獻(xiàn)能力、知識應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動手能力以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析匯總能力.通過開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了材料合成的工藝，深化了對材料科學(xué)的認(rèn)識.

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編輯：吳楠