鐵酸鉍光催化性能科研引導(dǎo)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

張 健，毛巍威

(南京郵電大學(xué) 理學(xué)院應(yīng)用物理系，江蘇 南京 210023)

隨著全球新一輪科技革命的深入推進(jìn)，科學(xué)研究能力成為順應(yīng)世界科技發(fā)展的需求，高等院校教育的目標(biāo)也隨之做出了重大的調(diào)整和改革，以研究探索科學(xué)問(wèn)題為核心的教學(xué)模式為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求，因此需要逐步加強(qiáng)開(kāi)展以科研課題為引導(dǎo)的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的自主能動(dòng)性培養(yǎng)，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和研究性思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)研究精神，使之在今后的學(xué)習(xí)工作中擁有善于探索和勇于創(chuàng)新等內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力[1]?？蒲幸龑?dǎo)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)即通過(guò)科研課題引導(dǎo)開(kāi)展的開(kāi)放式綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具體的實(shí)施方式就是指導(dǎo)教師在科研引導(dǎo)型教學(xué)理念的指導(dǎo)下，選擇性的拆解出科研課題的部分內(nèi)容，將前沿科學(xué)研究問(wèn)題引入本科生的教學(xué)課堂，并通過(guò)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和研究能力[2]。本文基于從科研課題中提煉的實(shí)驗(yàn)“鐵酸鉍尺寸控制及光催化性能”為例，闡述科研引導(dǎo)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

水體污染是環(huán)境污染的重要部分。有機(jī)染料對(duì)水體的污染是目前工業(yè)廢水排放的一種主要的污染源，有機(jī)染料分子具有自然降解難、對(duì)生態(tài)環(huán)境危害大等特點(diǎn)，已經(jīng)成為水體污染治理研究中的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。將可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑這一科研前沿課題融入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中，可以把最新的科研成果補(bǔ)充進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的滯后性、思維固化等不利因素，使教學(xué)內(nèi)容更具有前沿性。本實(shí)驗(yàn)采用微波水熱法制備鐵酸鉍材料的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并研究其光催化性能。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用微波水熱法制備鐵酸鉍納米立方。0.486 g 五水硝酸鉍、0.405 g 九水硝酸鐵、2.122 g 碳酸鈉以及8.988 g 氫氧化鉀依次加入到20.0 mL去離子水中，攪拌至完全溶解。加入100 mL微波消解罐中，分別在160 ℃、180 ℃、200 ℃ 下反應(yīng)0.5 h。反應(yīng)結(jié)束后，沉淀過(guò)濾，用去離子水離心洗滌3次，得到的樣品在60 ℃烘箱內(nèi)烘干。根據(jù)反應(yīng)溫度不同對(duì)樣品進(jìn)行命名：160 ℃、180 ℃、200 ℃得到的樣品分別命名為BFO-1、BFO-2、BFO-3。

鐵酸鉍樣品分別采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、紫外-可見(jiàn)吸光譜在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)表征。光催化降解羅丹明B：300 W 氙燈配置420 nm截止濾光片作為光源，50 mg 催化劑分散在100 mL溶液中(0.02 mmol L-1)，每輻射30 min取一次溶液(3 mL)，采用分光光度計(jì)量化降解效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1展示了不同水熱溫度下鐵酸鉍納米立方的形貌圖。

(a) BFO-1

圖1(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)樣品BFO-1、BFO-2以及BFO-3。通過(guò)對(duì)比，160～200 ℃，產(chǎn)物均為納米立方顆粒，唯一不同的是粒徑分布。由圖1d給出的粒徑分布量化數(shù)據(jù)可以看出：樣品BFO-1和BFO-3樣品的粒徑分布范圍較寬，最多的尺寸分布在30 nm 左右，其次是60～70 nm；而B(niǎo)FO-2樣品粒徑分布范圍最窄，大部分集中在40～60 nm的范圍。這一變化是由反應(yīng)溫度的差異造成的，在微波水熱法制備樣品時(shí)，溫度對(duì)納米晶體的均勻成核起著重要作用，溫度過(guò)低時(shí)，部分晶核生長(zhǎng)動(dòng)力不足，生長(zhǎng)緩慢，而少部分首先完成成核的納米晶又會(huì)過(guò)快的增長(zhǎng)，造成BFO-1粒徑分布不均的現(xiàn)象；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，體系能量超過(guò)晶體成核和生長(zhǎng)勢(shì)壘，導(dǎo)致體系能量過(guò)載，抑制成核緩慢的晶核生長(zhǎng)，同樣也造成了粒徑分布不均的現(xiàn)象[3]。體系生長(zhǎng)均勻的鐵酸鉍納米晶的反應(yīng)溫度是180 ℃。借助微波水熱反應(yīng)體系，鐵酸鉍納米晶的生長(zhǎng)時(shí)間僅需0.5 h，非常適合本科生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

圖2是三種鐵酸鉍樣品的粉末X射線衍射譜圖。

衍射角/°

通過(guò)對(duì)比可以清晰地發(fā)現(xiàn)三種樣品的晶體衍射峰位置完全一致，與菱方R3c型的鐵酸鉍標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS 86-1548)完全對(duì)應(yīng)[4]。9個(gè)明顯的衍射峰衍射角度由低到高依次對(duì)應(yīng)鐵酸鉍(012)、(104)、(110)、(006)、(202)、(024)、(116)、(214)以及(220)晶面。但仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)溫度的升高，樣品的衍射峰也在增強(qiáng)，說(shuō)明在較高的反應(yīng)溫度下，晶體的結(jié)晶性更好，這也與大多數(shù)半導(dǎo)體納米晶的生長(zhǎng)結(jié)晶規(guī)律相符[5]。晶體的微觀缺陷點(diǎn)位往往被認(rèn)為是光生電子-空穴的復(fù)合中心，提升鐵酸鉍納米晶體的結(jié)晶性從機(jī)理上看有利于其作為催化劑應(yīng)用時(shí)催化效率的提升。

制備出的三種鐵酸鉍分別用作光催化劑，考察其光催化降解有機(jī)染料羅丹明B的性能。評(píng)價(jià)一種光催化劑的性能，首先要考慮該催化劑的吸光范圍(光響應(yīng)范圍)，例如研究較早的光催化劑二氧化鈦[6]，其寬帶隙的本征屬性只允許其吸收小于400 nm的紫外光，限制了其在光催化上的應(yīng)用，對(duì)可見(jiàn)光有較好響應(yīng)的窄帶隙半導(dǎo)體成為新的熱點(diǎn)[7]。鐵酸鉍吸收邊在600～650 nm，帶隙在～2.0 eV，具有很好的可見(jiàn)光吸收能力。圖3為鐵酸鉍樣品的紫外-可見(jiàn)吸收譜圖，強(qiáng)吸收集中在低于600 nm的范圍。三條吸收曲線幾乎重疊，通過(guò)局部放大發(fā)現(xiàn)BFO-2樣品在550～750 nm范圍內(nèi)吸收能力略強(qiáng)。納米立方尺寸均勻有利于光在體系內(nèi)傳播過(guò)程中的多重反射和散射作用，從而提升光的吸收能力。

波長(zhǎng)/nm

將三種鐵酸鉍樣品在同樣的測(cè)試條件下進(jìn)行可見(jiàn)光催化降解羅丹明B溶液的應(yīng)用實(shí)驗(yàn) (如圖4 所示)。

t/min

首先，未加入任何催化劑的測(cè)試體系作為空白對(duì)比，發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光輻射3 h后，羅丹明B濃度幾乎未發(fā)生變化，說(shuō)明羅丹明B溶液在可見(jiàn)光照射下是非常穩(wěn)定的。其次，對(duì)于三個(gè)鐵酸鉍樣品，光源輻射的前1 h，羅丹明B溶液濃度減小顯著，其中降解效果最好的是BFO-2樣品，1 h 輻射后羅丹明B溶液濃度降低到52%。經(jīng)過(guò)連續(xù)4.5 h 的輻射，效果最佳的BFO-2樣品降解羅丹明B溶液濃度至27 %，明顯優(yōu)于BFO-1(30 %)和BFO-3(34 %)樣品。BFO-2催化劑樣品展示出相對(duì)最優(yōu)的催化效率。原因可歸納為以下兩點(diǎn)：一是可見(jiàn)光的利用效率更高，這一點(diǎn)從圖3的紫外-可見(jiàn)吸收譜圖可以證實(shí)；二是均勻的納米顆粒的催化體系中，更有利于電荷的均勻分布，降低光生電子-空穴復(fù)合的幾率。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)具有方案清晰、設(shè)備簡(jiǎn)易、周期較短、實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)放、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的明顯優(yōu)勢(shì)。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、閱讀文獻(xiàn)完成前期課題調(diào)研工作，隨后在開(kāi)放時(shí)間段，學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行操作，制備樣品和測(cè)試性能。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)條件，學(xué)生可進(jìn)行靈活調(diào)控，比如控制反應(yīng)溫度不變，考察反應(yīng)時(shí)間；又比如控制反應(yīng)溫度和時(shí)間均不變，考察反應(yīng)物的投料比等，再考察樣品光催化活性的控制和影響因素。最后通過(guò)小組討論分析開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)這種科研引導(dǎo)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉科學(xué)研究過(guò)程，養(yǎng)成獨(dú)立思考、自主實(shí)踐的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

習(xí)近平總書(shū)記指出，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力。抓創(chuàng)新就是抓發(fā)展，謀創(chuàng)新就是謀未來(lái)?？蒲幸龑?dǎo)型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)將科研課題提煉轉(zhuǎn)化為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，立足科學(xué)前沿問(wèn)題，通過(guò)課題引導(dǎo)、自主學(xué)習(xí)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了科研訓(xùn)練的效果，激發(fā)學(xué)生科研興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，為國(guó)家培養(yǎng)以創(chuàng)新為導(dǎo)向的復(fù)合型人才打下良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。