開放性實驗生物質(zhì)衍生多孔碳的電化學實驗設計

摘要：提高學生日常觀察能力、實驗動手能力以及物理化學儀器的操作能力，是當今高等院校實驗課程教學的著重點。生物質(zhì)衍生材料是材料領(lǐng)域中的研究熱點，將生物質(zhì)衍生多孔碳材料的制備及其電化學性能測試引入到物理化學實驗教學中，培養(yǎng)學生生物質(zhì)衍生多孔碳材料的制備能力，幫助學生掌握材料的電化學性能測試，并理解其中的離子存儲規(guī)律。引導學生觀察自然，提高化學類專業(yè)學生對物理化學知識點的掌握，幫助學生把握材料領(lǐng)域的研究熱點，提高學生對物理化學實驗課的學習積極性。

關(guān)鍵詞：物理化學實驗課程；教學改革；開放性實驗

中圖分類號：G642""" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1009-3583（2024）-0107-04

Research on Electrochemical Experimental Design of Biomass Derived Porous Carbon in Open Physical and Chemical Experimental Teaching

SUN Yue

（College of Chemistry and Materials Science， Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）

Abstract： It is the focus of experimental course teaching in colleges and universities to improve students ’ability of daily observation， experimental operation， and operation of physical chemistry instruments. Biomass-derived materials are a research hotspot in the field of materials. The preparation of biomass-derived porous carbon materials and their electrochemical performance tests are introduced into the experimental teaching of physical chemistry. It cultivates students ’ability to prepare biomass-derived porous carbon materials. It also helps students master the electrochemical performance test of materials and understand the law of ion storage in the porous carbon. The open experiment teaching guides students to observe nature and improves the ability of learning of physical chemistry knowledge points. It helps students grasp the research hotspots in the field of materials and enhances students ’learning enthusiasm for physical chemistry experiment courses.

keywords： physical chemistry experiment curriculum; the reform of teaching; open experiment

物理化學是高等院校化學專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，物理化學實驗是化學類專業(yè)學生的必修課程，實現(xiàn)了物理化學理論向應用的轉(zhuǎn)化[1]。物理化學實驗是通過物理、數(shù)學的方法研究、解釋化學實驗背后的規(guī)律，涉及熱力學、動力學以及電化學等[2]。高校物理化學實驗能夠培養(yǎng)學生的實驗動手能力、儀器操作能力和分析實驗結(jié)果的能力[3]。目前大多數(shù)高校開設的物理化學實驗具有成熟的樣品合成以及儀器測試方法。這導致目前開展的實驗課程與最新的科研進展存在一定的脫節(jié)，無法滿足學生對未知實驗的探索，不利于培養(yǎng)學生的綜合分析能力，教學效果有待進一步提高。

物理化學開放性實驗作為物理化學實驗課程的補充，能夠彌補當前教學課程的不足，采取探索性實驗，提高學生的實驗參與積極性。學生在課前通過文獻檢索、查閱書籍等方式，搜集相關(guān)的實驗資料。然后，在課堂教學過程中，學生通過討論，對材料的制備以及儀器的使用有了初步的認識，選擇合適的材料制備方法，并熟練掌握儀器的使用方法。最后，分析實驗數(shù)據(jù)，得到測試結(jié)果。開放性實驗注重學生自主學習能力、資料檢索能力以及分析解決實際問題能力的培養(yǎng)，有助于培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)復合型人才[4]。

1開放性實驗教學內(nèi)容及其要求

物理化學實驗中的電化學實驗是電化學理論的實際應用，如電化學實驗課程設計到電極的制備、電化學性能的測試等，利用電化學的理論，研究材料的性能[5]。電化學實驗課程采用電化學工作站等儀器，測試材料的電化學性能，學生需要設置電化學工作站的參數(shù)，組裝測試裝置，收集實驗數(shù)據(jù)，并分析實驗結(jié)果。

生物質(zhì)衍生碳材料是一類重要的碳材料，如纖維素、殼聚糖、明膠、大豆蛋白、木質(zhì)素等，采用廉價、可再生的生物質(zhì)原料作為碳源[6]。學生通過此開放實驗可以了解生物質(zhì)衍生多孔碳材料以及超級電容器電極材料的制備過程，掌握生物質(zhì)衍生多孔碳的離子存儲機理，了解冷凍干燥機、管式爐、電化學工作站等儀器的操作方法，熟悉當前儲能材料的發(fā)展狀況。

本次開放實驗采用的生物質(zhì)材料為哈密瓜瓜皮，將其浸沒在氯化鈉溶液中，其中氯化鈉作為模板劑，采用冷凍干燥以及高溫碳化的方式，得到生物質(zhì)衍生的分級多孔碳材料。將得到生物質(zhì)衍生多孔碳材料制備成電極材料，并測試其電化學性能，從而幫助學生理解材料結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的構(gòu)效關(guān)系。

該開放實驗的教學要求如下：

（1）了解生物質(zhì)材料的背景知識。學生在課前，通過中國知網(wǎng)的文獻檢索、圖書館書籍查閱等方式，搜集生物質(zhì)材料的發(fā)展現(xiàn)狀，熟悉生物質(zhì)衍生多孔碳材料在儲能領(lǐng)域中的應用，了解當今世界能源存儲領(lǐng)域的發(fā)展狀況。

（2）熟悉生物質(zhì)衍生多孔碳材料的制備方法。通過開放實驗學生學習多孔碳材料的制備方法，學習電極的制備流程，掌握超級電容器測試方法。

（3）培養(yǎng)學生科學探索的能力。學生通過團隊合作，完成電極材料的制備，并完成電化學性能測試，提高自身的科學研究能力，培養(yǎng)學生解決問題的能力。

（4）提高學生的儀器操作能力。物理化學實驗涉及多種實驗儀器，通過開放實驗幫助學生學習冷凍干燥機、管式爐、電化學工作站等的操作流程，熟悉實驗室中儀器的使用方法。

2開放實驗實施過程

生物質(zhì)衍生多孔碳的制備及其電化學性能測試是一個綜合性的物理化學開放實驗，學生需要在了解多孔碳的結(jié)構(gòu)與離子存儲性質(zhì)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，把握當前儲能領(lǐng)域材料的發(fā)展情況，以培養(yǎng)學生的團隊合作和創(chuàng)新精神為目標，面向具有一定物理化學理論知識基礎(chǔ)的大三學生。具體培養(yǎng)流程如圖1所示：

學生首先進行分組，以3～5人為一組，通過上網(wǎng)檢索、圖書館借閱書籍等方式，搜集有關(guān)生物質(zhì)衍生多孔碳的資料以及電化學的測試方法。在開放實驗中，學生首先進行小組討論，分享與總結(jié)相關(guān)資料，從而確定生物質(zhì)衍生多孔碳的制備原料以及制備流程。之后，通過分工協(xié)作，開展實驗，并對得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析，最終撰寫完成實驗報告，并參與實驗考核，獲得實驗成績。

2.1試劑

生物質(zhì)衍生多孔碳由實驗室自行制備得到。生物質(zhì)材料采用哈密瓜瓜皮，聚偏二氟乙烯（PVDF）、乙炔黑、N-甲基-2-吡咯烷酮、濃硫酸等購置于國藥集團，選用的藥品為分析純，直接使用。稀釋濃硫酸采用的去離子水為18.2 M 的去離子水。

2.2生物質(zhì)衍生多孔碳材料的制備

首先，將哈密瓜瓜皮切成2 cm ×2 cm 的小片，置于冷凍干燥機中干燥24 h，去除內(nèi)部的水分。之后，將2g 哈密瓜瓜皮與10 g NaCl 置于50 mL 的去離子水中，磁力攪拌24 h。將瓜皮片取出在冷凍干燥機中冷凍干燥，然后將其放在管式爐中850。C 碳化2h。最后，用去離子水在真空抽濾裝置中清洗得到碳材料，真空烘箱干燥，從而得到生物質(zhì)衍生的多孔碳材料。

2.3電極材料的制備

首先，將160 mg生物質(zhì)衍生多孔碳材料、20 mg 乙煥黑以及20 mgPVDF 混合研磨0.5 h，滴加 N-甲基-2-吼咯院麗，得到電極漿液。將電極漿液均勻地涂覆在1 cm ×1 cm 的欽網(wǎng)（300目）上，在45。C 的真空烘箱中干燥3 h，最終得到生物質(zhì)衍生多孔碳電極。

2.4電化學性能測試

生物質(zhì)衍生多孔碳的電化學性能測試采用的儀器是電化學工作站 CHI760E。生物質(zhì)衍生的多孔碳電極作為正負電極，其中一個電極連接在工作電極上，另一個電極連接在對電極與參比電極上。本開放實驗選用的測試方法為循環(huán)伏安法測試，測試的高壓設置為0.9V，低壓設置為0V，掃描速度設置為5、10、20、50、100、200和500 mV s -1。每個掃描速度的循環(huán)伏安圖設置為2圈，取第二圈處理數(shù)據(jù)，實驗測試的溫度為室溫。

3實驗原理

超級電容器的電極材料存儲離子的方式有兩種，一種是雙電層電容存儲方式，另一種是厭電容存儲方式。其中，雙電層電容存儲方式是利用靜電作用，電解液中的離子在電極表面形成雙電層，從而在電極表面存儲離子[7]。常用的雙電層電容的電極材料包括活性炭、碳納米管、介孔碳等[8]。厭電容存儲方式是利用電極中的原子與電解液中的離子發(fā)生可逆的氧化還原反應，即法拉第反應，從而達到存儲離子的目的[9]。常見的厭電容電極材料有二氧化錳、氮摻雜多孔碳、四氧化三鉆等。厭電容材料通常具有高的比電容，但導電性相對較低。

生物質(zhì)衍生多孔碳是一類重要的碳材料，生物質(zhì)原料具有原料充足、價格低廉等優(yōu)勢，能夠作為碳的前驅(qū)體[10]。將自然界中可再生的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為高價值的電化學材料，能夠有效地緩解能源危機。此開放實驗以此為背景，采用哈密瓜瓜皮作為原料，制備得到生物質(zhì)衍生的多孔碳材料，幫助學生了解雙電層方式存儲電解液中的離子，理解多孔碳結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關(guān)系。生物質(zhì)衍生多孔碳材料中有微孔（孔徑小于2 nm）、中孔（孔徑在2-50 nm 之間）以及大孔（孔徑大于50 nm），因此具有分級多孔的結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)衍生多孔碳材料的介孔有利于電解液在電極中的快速擴散，而微孔能夠為電解液中的離子提供大量的存儲位點。因此，將生物質(zhì)衍生多孔碳用于物理化學開放性實驗中，能夠幫助學生理解物理化學中理論知識點，提高學生理論聯(lián)系實際的能力。同時，能夠幫助學生學習電化學工作站、冷凍干燥機、管式爐等實驗室儀器的使用方法，激發(fā)學生的學習興趣。

4數(shù)據(jù)分析處理與結(jié)果討論

通過上述實驗步驟，學生可以制備得到生物質(zhì)衍生的多孔碳材料，通過掃描電子顯微鏡（SEM），能夠觀察到生物質(zhì)衍生多孔碳材料的微觀形貌，從圖2中能夠觀察到不同孔徑的孔結(jié)構(gòu)，包括大孔結(jié)構(gòu)與介孔結(jié)構(gòu)，并且不同的孔道相互連通，有利于電解液在多孔碳中的擴散。多孔結(jié)構(gòu)也有利于提高材料的比表面積，從而有利于大量的離子在多孔碳表面，通過雙電層作用進行存儲。通過掃描電子顯微鏡的觀察，幫助學生認識與了解多孔碳的微觀結(jié)構(gòu)，對納米材料能夠有一個直觀的認知。

之后，將生物質(zhì)衍生的多孔碳制備成電極，并采用電化學工作站測試其電化學性能。在此次開放實驗中，學生通過循環(huán)伏安測試，了解離子在多孔碳中的存儲行為。通過循環(huán)伏安測試（圖3），發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)衍生多孔碳的電壓范圍為0到0.9V，隨著掃描速度的逐漸增加，循環(huán)伏安圖的面積逐漸增大，較大的循環(huán)伏安圖面積表明生物質(zhì)衍生多孔碳具有高的離子存儲能力。整個循環(huán)伏安圖呈現(xiàn)出類似矩形的形狀，表明電解液中的離子在生物質(zhì)衍生多孔碳中的存儲方式為雙電層方式存儲[11]。

在完成生物質(zhì)衍生多孔碳的制備及其電化學性能的測試后，學生完成實驗數(shù)據(jù)的處理與分析。數(shù)據(jù)處理采用 Adobe Illustrator 以及 Origin 進行處理，Adobe Illustrator可以對掃描電子顯微鏡圖進行處理，而Origin 可以對電化學測試結(jié)果進行處理并得到線形圖。最后，學生根據(jù)實驗結(jié)果，撰寫完成實驗報告。

5構(gòu)建物理化學實驗創(chuàng)新體系

物理化學實驗課程是化學專業(yè)學生的一門重要課程，開放性實驗的引入，能夠作為當前實驗課程的重要補充，實現(xiàn)物理化學理論與實際應用相結(jié)合。依托學校已有的實驗儀器平臺，進一步探索物理化學實驗課程的教學模式，實現(xiàn)科研與教學相融合，增強學生的創(chuàng)新意識[12]。

5.1學生自主學習

將翻轉(zhuǎn)課堂教學方式應用于物理化學開放性實驗課程的教學過程中，讓學生在課前自己搜集資料，在上課期間分析搜集的資料，消化知識，讓學生成為學習的主人[13]。翻轉(zhuǎn)課堂的理念引入到開放性實驗教學課程中，將傳統(tǒng)的課堂講授、學生實驗操作、課后完成實驗報告的過程，調(diào)整為學生搜集學習資料、課堂討論消化、探索實驗流程的過程，充分利用課前時間與課堂的教學時間，讓學生對物理化學知識點的認識能力達到高階思維。

5.2學生團隊合作能力

在開放性實驗課程的教學活動中，學生搜集材料，分組討論，遇到問題要及時與老師溝通、匯報實驗的進展。因此，在整個實驗開展過程中，學生需要發(fā)揮團隊合作能力，并提高自身的語言表達能力。這對于師范類專業(yè)的學生，如化學（師范）專業(yè)的學生，具有很好的培養(yǎng)效果，能夠培養(yǎng)學生的分析問題能力、語言表達能力以及團隊合作能力。

5.3實驗結(jié)果分析能力

學生在完成開放性實驗后，對所得到的數(shù)據(jù)進行分析處理，熟悉科研畫圖軟件的使用，并及時向老師匯報實驗結(jié)果。通過與老師討論，分析材料的離子存儲特性，對材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進行探討。同時，學生在課后查閱資料，了解更多的電化學表征手段，做到舉一反三，通過開放性實驗的學習，掌握更多的測試方法。

5.4優(yōu)化實驗課程的考核評價體系

在物理化學實驗課教學過程中，完善實驗課程考核評價體系[14]。教師應督促學生在實驗課之前預習實驗教材，了解儀器的基本原理和操作流程。以學生為主導，開展學生小組討論，并選出代表進行發(fā)言，討論實驗涉及儀器的基本原理以及操作注意事項。采取問題導向的教學機制，讓學生在實驗報告中提出實驗中可能遇到的問題，以及相應的解決方案[15]。

因此，實驗課程成績的組成可以設定為以下幾個方面：一是平時表現(xiàn)，包括實驗課預習（5%），學生討論與發(fā)言（5%），以及實驗報告（10%），主要考查學生對資料的整理以及課堂參與程度。二是實驗儀器使用與實驗操作（60%），主要考查學生的動手能力。三是實驗考試（20%），主要考查學生對物理化學實驗知識點的掌握。

5.5開放性實驗教學的分析拓展

對物理化學的開放性實驗進行進一步的拓展，如：如何提高生物質(zhì)衍生多孔碳的比表面積？材料制備方法能否擴展到其他生物質(zhì)材料？多孔碳的孔徑分布對離子存儲的影響。其他電化學測試方法。超級電容器在儲能技術(shù)發(fā)展中的意義等。學生通過對實驗過程、結(jié)果的分析總結(jié)，充分認識到多孔碳材料在能源存儲中的地位，對物理化學實驗儀器有更多的認知，培養(yǎng)學生的科學探索精神。

6結(jié)語

針對物理化學實驗課程中在學生培養(yǎng)方面存在的不足，依托學?，F(xiàn)有的實驗儀器，利用生活中常見的生物質(zhì)材料作為原料，制備多孔碳材料并進行電化學性能測試，培養(yǎng)與提高學生的實驗操作能力，加深學生對材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解，鍛煉學生分析實驗數(shù)據(jù)的能力，增強學生的自主學習以及實驗結(jié)果分析能力，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，提高學生的學習興趣。實現(xiàn)以學生為本的教育理念，多角度探索物理化學實驗課程教學，更好地培養(yǎng)化學人才。

參考文獻：

[1]陳義剛.人才創(chuàng)新驅(qū)動的物理化學實驗教學改革探索[J].廣州化工，2023，51（10）：146-148.

[2]常貫儒.新形勢下環(huán)保、創(chuàng)新為導向的物理化學實驗教學探討[J].黃山學院學報，2021，23（3）：125-127.

[3]李盼，霍鵬，王立晶，等.新工科背景下物理化學實驗教學改革與探索[J].商丘師范學院學報，2022，38（3）：97-99.

[4]曹國瓊，徐劍，劉耀，等.將科研成果引入開放性實驗教學的實踐與探索[J].山東化工，2020，49（10）：205-206.

[5]趙璐，安琪，佟望舒.關(guān)于《電化學實驗》課程教學的思考與改革探索[J].當代化工研究，2022（19）：137-139.

[6]杜英俠，劉瑞，魯望婷，等.生物質(zhì)衍生碳材料電催化裂解水研究進展[J].武漢大學學報（理學版），2022，68（2）：123-130.

[7]張秀華，張著森，郎小玲，等.正硅酸四乙酯改性活性炭電極材料及其電化學性能測試研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2018，32（1）：30-33.

[8]劉含笑，胡明珠，陳玉，等.多肉葉衍生多孔炭及其超級電容性能研究[J].山東化工，2022，51（11）：35-39.

[9]袁丹丹，王林，尚隨軍.贗電容型超級電容器電極材料的研究進展[J].電池工業(yè)，2023，27（4）：199-204.

[10]Yang X. Renewable lignin and its macromolecule derivatives： an emerging platform toward sustainable electrochemical en-ergy storage[J]. Green Chemistry，2023，25（11）：4154-4179.

[11]Zhang L. Upcycling of refinery solid waste by chemical ac-tivation：Fabrication of molybdenum sulfide/hierarchical porous carbon composites for highly stable supercapaci- tor[J]. Fuel，2023，342：127770.

[12]徐豐，楊青勝，于俊，等.科研成果轉(zhuǎn)化為本科生教學資源的探索[J].湖北師范大學學報（自然科學版），2020，40（4）：109-113.

[13]鄭靜.移動互聯(lián)時代基于翻轉(zhuǎn)課堂的深度學習研究[J].齊魯師范學院學報，2022，37（4）：24-32.

[14]李盼，瞿鵬，王立晶，等.新工科背景下物理化學實驗教學改革與探索[J].商丘師范學院學報，2022，38（3）：97-99.

[15]王曦.基于問題導向的高校思政教育教學優(yōu)化機制研究[J].江蘇第二師范學院學報，2021，37（3）：65-69.

（責任編輯：羅智文）