《發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)》之“催化化學(xué)”選題分析與教學(xué)探討

摘 要：從課程標(biāo)準(zhǔn)確立《發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)》中催化化學(xué)的教學(xué)定位，再結(jié)合國家需要與學(xué)生發(fā)展制定教學(xué)目標(biāo)。在國家規(guī)劃的重點(diǎn)領(lǐng)域中篩選出“催化化學(xué)”主題下的三個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)作為教學(xué)內(nèi)容，即單原子催化、催化制氫、界面催化。相應(yīng)的教學(xué)策略包括微項(xiàng)目教學(xué)、模型搭建、組會等。學(xué)習(xí)評價(jià)上嘗試原創(chuàng)習(xí)題的整體設(shè)計(jì)，引領(lǐng)學(xué)生模擬新型催化劑的設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)歸納聯(lián)想，模型認(rèn)知，計(jì)算評價(jià)，文獻(xiàn)查閱等技能與素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：國家規(guī)劃；單原子催化；納米限域催化；習(xí)題整體設(shè)計(jì)

文章編號：1005-6629（2024）09-0014-07

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)》是我國普通高中化學(xué)課程結(jié)構(gòu)中系列3的選修課程?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》^［1］（以下簡稱“課標(biāo)”）明確指出，該系列課程的設(shè)置并不需要學(xué)生對化學(xué)前沿問題有系統(tǒng)的了解，而是結(jié)合化學(xué)的前沿領(lǐng)域和當(dāng)代社會的熱點(diǎn)問題，有重點(diǎn)、有選擇地介紹化學(xué)科學(xué)的最新進(jìn)展和亟待解決的重要課題。另外，從有利于化學(xué)教學(xué)的視角來看，選取的前沿進(jìn)展應(yīng)能被納入中學(xué)化學(xué)知識體系，立足化學(xué)教師和選修學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選。為此，我們于2021年成立了課題組，編寫《發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)》^［2］，作為課程可選用書。催化化學(xué)是選定課題之一，高中教師對催化前沿較為陌生，尚待解析與指導(dǎo)。

1 催化化學(xué)課題的定位

課標(biāo)關(guān)于催化的表述如表1所示，除了在選擇性必修課程的模塊1主題2多個(gè)欄目呈現(xiàn)之外，催化主要作為“情境素材”。經(jīng)字頻與詞頻統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，“用”字最多，出現(xiàn)9次，如作用（5次）、使用、運(yùn)用、用途。“用”的領(lǐng)域涵蓋材料（5次）、醫(yī)藥、生化等學(xué)科。課程的定位要突出“用”。

本書從課標(biāo)內(nèi)容建議中選擇4個(gè)專題：藥物與合成化學(xué)、動態(tài)化學(xué)、催化化學(xué)、能源化學(xué)。前三個(gè)出自課標(biāo)選修課程系列3“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”的主題1化學(xué)科學(xué)研究進(jìn)cbc88ecf48f5b6b2fd47c0057c36ecb4db0f4c99d18e4cf0293e5ee4518e91fc展，能源化學(xué)則是主題2作為交叉學(xué)科的化學(xué)。催化化學(xué)既對前文部分催化應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，也為后文電池前沿?zé)狳c(diǎn)電極催化劑作鋪墊。

在本選修課程中，課標(biāo)對催化化學(xué)的內(nèi)容建議突出四點(diǎn)：新理論、新方法、催化劑工程、化工建模。這確立了以用為先，從實(shí)驗(yàn)室到化工廠理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)定位。

2 催化化學(xué)課題的教學(xué)目標(biāo)

催化化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)的制定首先看國家需要，“碳達(dá)峰、碳中和”是催化化學(xué)當(dāng)前的主攻方向。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國家發(fā)展改革委員會、國家能源局2022年3月發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》^［3］，首次提出氫能的戰(zhàn)略定位是未來國家能源體系的重要組成部分。該規(guī)劃還指出持續(xù)推進(jìn)綠色低碳?xì)淠苤迫?、儲存、運(yùn)輸和應(yīng)用等各環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)。持續(xù)開展光解水制氫、科學(xué)機(jī)理研究；探索培育“風(fēng)光發(fā)電+氫儲能”一體化應(yīng)用新模式；合成甲醇以便儲運(yùn)。國家尤其重視氫能利用，規(guī)劃共23次提到燃料電池，并將2025年燃料電池車輛保有量約5萬輛定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)之一。高效的制、儲、輸、用氫全鏈條安全技術(shù)常以催化化學(xué)為關(guān)鍵。

其次看學(xué)生發(fā)展需要?，F(xiàn)在高中生的學(xué)習(xí)階段與職業(yè)初期與國家氫能規(guī)劃的時(shí)間重合。學(xué)生明確產(chǎn)業(yè)需求有利于科學(xué)地選擇科研與職業(yè)方向，學(xué)以致用，為其生涯規(guī)劃提供指引。

我們結(jié)合國家需要與學(xué)生發(fā)展，根據(jù)課標(biāo)制定催化化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)為：學(xué)生從催化研究、交叉學(xué)科、催化劑工程三個(gè)方面認(rèn)識現(xiàn)代催化的重要性，了解新理論、新方法，以深化對催化基本原理的理解。通過文獻(xiàn)查閱、模型認(rèn)知、舉例描述某個(gè)領(lǐng)域的新進(jìn)展，了解前沿問題的研究思路與方法，提升學(xué)科素養(yǎng)與研究潛能。體驗(yàn)現(xiàn)代催化化學(xué)發(fā)展的面貌與方向，增進(jìn)興趣與整體感知，促進(jìn)樹立研究化學(xué)志向。

3 催化化學(xué)課題的內(nèi)容

催化化學(xué)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。自1901年以來，已有20多位科學(xué)家因催化方面的成就獲諾貝爾化學(xué)獎。催化材料是催化化學(xué)的關(guān)鍵，因此我們將其作為課題的主要內(nèi)容。催化材料工程包括反應(yīng)路徑與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、綠色催化材料制備過程、催化反應(yīng)工程等三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。2020年李燦院士團(tuán)隊(duì)在蘭州建成全球首套千噸級“液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目”，工程上實(shí)現(xiàn)了他提出的液態(tài)陽光技術(shù)路線^［4］，為國家氫能規(guī)劃的制定奠定基礎(chǔ)。該路線為：利用光催化制氫或光伏發(fā)電+電解水制氫，再以二氧化碳加氫制備甲醇；甲醇作為氫能載體，與水蒸氣重整制氫，副產(chǎn)物CO循環(huán)制醇；氫氣用于燃料電池，實(shí)現(xiàn)碳與氫雙循環(huán)。我們選擇其中適合高中選修的內(nèi)容，如表2所示，序號表示書中內(nèi)容出現(xiàn)的先后次序^［5］，按照路線步驟分類，水制氫⑤⑥，甲醇制氫④⑩，燃料電池①②⑧⑨。我們按照路線-材料-工程的思路來篩選與組織內(nèi)容，將催化專題分為3個(gè)單元：單原子催化、催化制氫、界面催化，集中體現(xiàn)了中國科學(xué)家的催化研究成果。

3.1 單原子催化

2011年張濤院士首次提出“單原子催化（Single atom catalysis）”概念。單原子催化劑是一類將單個(gè)金屬原子錨定在載體上的材料?！皢卧印辈皇枪铝⒌卮嬖冢切稳萁饘僭映浞值胤稚⒃谳d體上，以期達(dá)到每個(gè)原子成為一個(gè)催化活性中心的理想狀態(tài)。論文^［6］被引用高達(dá)4500多次，被Nature Chemistry評為出版百期以來引用最高的前十篇論文，是唯一入選該榜單的中國成果，被評論為未來中國可能領(lǐng)跑世界的幾個(gè)研究方向之一^［7］。

3.2 催化制氫

中科大羅毅、江俊教授設(shè)計(jì)首個(gè)光解水制氫儲氫一體化體系^［8］。書中分步驟描述圖片所示的反應(yīng)機(jī)理，讓學(xué)生欣賞上下兩層富勒烯夾著碳氮材料這一“三明治”結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)富勒烯對氫原子與氫分子的選擇性通過而分離氫氧，理解用抑制氫氧化合的方法實(shí)現(xiàn)安全儲氫。催化劑被設(shè)計(jì)成球形，球面光解水，球外產(chǎn)氧，球內(nèi)儲氫。這也許是世界上最小的納米級氫氣球！由興趣設(shè)計(jì)展示化學(xué)美，深得學(xué)生喜愛。學(xué)生看懂圖文，講通道理，有利于破解目前高考中催化機(jī)理描述的難題。同時(shí)，若氫氣球從納米級僅擴(kuò)大至微米級，單球儲氫量就能成億倍提升！那么毫米級呢？這就給了學(xué)生無限的想象空間，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。

3.3 界面催化

包信和院士首次提出“納米限域催化（Nano-confined catalysis）”。納米限域催化是指利用催化劑特定的界面，給反應(yīng)體系提供一個(gè)有約束的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)催化性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

面對富氫環(huán)境下選擇性氧化CO的這一世界性難題，納米限域催化給出了答案。如圖1所示，學(xué)生結(jié)合圖文理解Pt特定晶面上的單層FeO納米“島”邊界上的催化過程^［9］。學(xué)生尋找創(chuàng)新點(diǎn)：合成上，制備納米FeO催化劑；應(yīng)用上，高達(dá)十萬中選一的氧化選擇性；機(jī)理上，活性中心位于“島”邊界，是納米限域催化的典型。大道至簡，學(xué)生通過前沿催化劑的頂尖設(shè)計(jì)，理解多相催化的過程。

4 催化化學(xué)課題的教學(xué)策略

4.1 在微項(xiàng)目中學(xué)習(xí)單原子催化劑

圍繞CO與CO相互轉(zhuǎn)化，我們?nèi)鐖D2所示設(shè)計(jì)了“碳氧化物”主題下的微項(xiàng)目教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)單原子催化劑。三個(gè)CO氧化反應(yīng)供分組探究，一個(gè)CO還原反應(yīng)作為作業(yè)。學(xué)生多角度探究單原子催化劑，挖掘化學(xué)前沿與基礎(chǔ)化學(xué)概念的聯(lián)系。從微觀斷鍵思考催化劑的選擇性；從宏觀產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)現(xiàn)氨是氫能的載體之一；從社會、科學(xué)、技術(shù)綜合分析尾氣凈化；從光電催化復(fù)習(xí)能量轉(zhuǎn)化。微項(xiàng)目順序按活性組分從金到鐵價(jià)格降序排列，是催化劑應(yīng)用研究方向。

4.2 在模型搭建活動中感受晶面催化

納米催化劑顆粒表面有不同的晶面，活性與選擇性不同，是催化前沿?zé)狳c(diǎn)。模型搭建活動引導(dǎo)學(xué)生用切割法研究晶面變化。學(xué)生在動手切割的同時(shí)，填寫表3，理解催化活性逐漸減弱的根源在于原有高活性晶面逐漸變小直至消失^［10］。既回避繁瑣的晶面編號規(guī)則，又培養(yǎng)學(xué)生三維空間能力。納米催化劑組成相同而形狀不同，催化性質(zhì)各異。教師啟發(fā)學(xué)生由此聯(lián)想相似的基本概念，按照微粒從小到大的順序串聯(lián)起來：原子（同位素）→分子（同分異構(gòu)）→納米催化劑（晶面活性），拓展與加深理解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)觀念。

4.3 在組會優(yōu)化方案中體驗(yàn)工業(yè)創(chuàng)新

學(xué)生從煤制合成氣、焦?fàn)t氣、天然氣中選擇一個(gè)主題分組合作學(xué)習(xí)，如圖3所示，通過組會比較優(yōu)化合成甲醇的路線以及催化原理。根據(jù)學(xué)情可讓學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，基于我國富煤少氣的資源條件，以甲醇碳?xì)浔?∶4為參照提出煤合成甲醇的優(yōu)化方案。如用訓(xùn)練創(chuàng)新思維的方法引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化干餾所得焦?fàn)t氣的碳?xì)浔龋杭臃ǎㄑa(bǔ)充CO）；減法（分離H）；組合（焦?fàn)t氣與煤制合成氣路線耦合互補(bǔ)）。真問題將學(xué)生的不同創(chuàng)意交匯碰撞，這三種設(shè)想都已工業(yè)化^［11］，這種肯定遠(yuǎn)勝于一般表揚(yáng)。教師提前查閱文獻(xiàn)為開放性問題托底，深度備課使教師在引導(dǎo)學(xué)生探究研討時(shí)游刃有余。

合成甲醇是合成氨的姊妹工業(yè)，兩者原料路線與工藝流程都極為相似。主反應(yīng)都是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，因此都需高壓催化。學(xué)生在必修模塊之后再深度認(rèn)識煤的氣化、干餾意義，將合成氨的反應(yīng)調(diào)控順利遷移至合成甲醇。

5 催化化學(xué)課題的學(xué)習(xí)評價(jià)

作為選修課程的學(xué)習(xí)評價(jià)，催化化學(xué)以過程性評價(jià)為主，采用課堂評價(jià)與作業(yè)評價(jià)相結(jié)合的模式。課堂評價(jià)包括小組互評、組會評價(jià)、活動評價(jià)等。書中課后作業(yè)嘗試原創(chuàng)習(xí)題的整體設(shè)計(jì)。以本專題作業(yè)中的三道習(xí)題^［12］為例，說明如何以中國催化創(chuàng)新為主線進(jìn)行作業(yè)評價(jià)。習(xí)題主要內(nèi)容如下：

（1） 按照反應(yīng)分類歸納本專題催化劑，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)最多的金屬，并分析原因。

（2） 模擬Fe/碳納米管催化劑的改進(jìn)設(shè)計(jì)，尋找同周期同族元素對Fe/碳納米管進(jìn)行摻雜。

（3） 通過查閱資料、計(jì)算等比較與評價(jià)納米限域催化與費(fèi)托合成技術(shù)，明白納米限域催化的獲獎原因。

課后作業(yè)的整體設(shè)計(jì)思路如圖4所示，以創(chuàng)新為主線，將歸納發(fā)現(xiàn)方法，運(yùn)用方法創(chuàng)新，創(chuàng)新解決問題作為步驟，將三個(gè)小故事串聯(lián)，講述納米限域催化技術(shù)從誕生到改進(jìn)、工業(yè)化直至獲獎的過程。首先統(tǒng)計(jì)催化劑中金屬出現(xiàn)頻率以挖掘線索，引起了學(xué)生歸納整理的興趣?？此坪唵谓y(tǒng)計(jì)，實(shí)則模擬在文獻(xiàn)中尋找創(chuàng)新突破的方向。學(xué)生先由表2發(fā)現(xiàn)鉑和鐵，聯(lián)系已知的催化反應(yīng)，易于提出以鐵代鉑是成本驅(qū)動的趨勢；鉑因此成為衡量所有替代者的標(biāo)尺，對比實(shí)驗(yàn)的參照，讓學(xué)生感受替代不易。故事的高潮是中國兩種催化創(chuàng)新技術(shù)的較量。燃料電池H中微量CO使催化劑中毒是世界級難題，同為富氫條件下選擇性氧化CO，大連化學(xué)物理研究所先把FeO負(fù)載在Pt特定晶面上進(jìn)行納米限域催化，再將Pt負(fù)載在FeO上創(chuàng)造了單原子催化劑。兩者都部分替換Pt，卻對調(diào)了活性組分與載體再組合。當(dāng)創(chuàng)新褪去了新奇異的光環(huán)，跳出實(shí)驗(yàn)室的舒適圈，沖進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域的競技場，學(xué)生在這場較量中獲取共性方法：替換與組合。

然后，學(xué)生模擬故事的主人公，運(yùn)用方法改進(jìn)“鎧甲催化劑”。“鎧甲催化劑”是碳納米管包裹納米鐵顆粒，像鎧甲一樣保護(hù)鐵不受酸性介質(zhì)、氧氣和硫污染，而又不妨礙納米鐵對O的活化，作為燃料電池正極催化劑具有高活性與長壽命^［13］。先換“甲”，讓學(xué)生在石墨、石墨烯、富勒烯中任選。教師可用草稿本打比方：“若石墨像草稿本，那么石墨烯就是其中一頁。用膠帶反復(fù)粘石墨，越粘越薄，就像把這頁撕下來就是石墨烯。這頁紙卷成管子就像碳納米管。若紙包在蘋果上會皺，但只要去掉褶皺處多出來的幾個(gè)碳原子，表面平滑的紙球就好比富勒烯。”邊說邊比劃，形象地抓住幾種同素異形體的特征建立聯(lián)系，將四件“鎧甲”舉重若輕地呈現(xiàn)，來一次生動的“碳綜合”。接著換活性組分，改造“鎧甲”。讓學(xué)生在元素周期表鐵與碳的周圍“尋寶”，替換或組合，由單元素拓展為雙元素?fù)诫s，深刻體會元素周期表在當(dāng)今催化前沿依舊發(fā)揮著巨大作用。

最后的故事以包信和院士團(tuán)隊(duì)獲得2020年度國家自然科學(xué)一等獎為情境，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算評價(jià)能力。他們首創(chuàng)納米限域催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤制合成氣一步轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，突破了國際上沿用90多年的費(fèi)托合成技術(shù)。首先學(xué)生搞清楚費(fèi)托合成，發(fā)現(xiàn)其中反應(yīng)組合的目的是調(diào)節(jié)合成氣的碳?xì)浔?，與“合成甲醇”產(chǎn)生共鳴。然后學(xué)生計(jì)算出每噸烯烴理論產(chǎn)污水量，發(fā)現(xiàn)污水量高，推知耗水量更高。學(xué)生易想到廢水凈化再利用，工業(yè)上也確實(shí)如此，但成本高。我國富煤貧油，煤制油的需求很大，目前投產(chǎn)與在建項(xiàng)目年產(chǎn)超千萬噸。但是煤炭產(chǎn)區(qū)多位于缺水地區(qū)，水資源成為我國煤制油規(guī)劃立項(xiàng)的重要制約因素。學(xué)生從國家能源安全出發(fā)，以地理與化學(xué)學(xué)科交叉的角度，結(jié)合國情評價(jià)費(fèi)托合成，才能理解納米限域催化的意義。其低碳烯烴選擇性高達(dá)80%，突破了費(fèi)托合成58%的理論極限，大幅降低能耗與水耗。2016年發(fā)表論文^［14］，2020年千噸工業(yè)性試驗(yàn)成功，驚人的中國速度反映了祖國的需要。

教師引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)他們剛推出新一代催化劑，在選擇性大于80%的同時(shí)，將CO轉(zhuǎn)化率從17%提升至85%，低碳烯烴產(chǎn)率達(dá)48%的國際最優(yōu)水平，解決了催化反應(yīng)中難以同時(shí)提高活性與選擇性的“蹺蹺板”難題^［15］。國家自然科學(xué)獎推動了催化劑加速升級與工業(yè)化進(jìn)程，才成就了今日的催化前沿。

這就是真實(shí)的“鎧甲催化劑”創(chuàng)新路，也是我國催化工作者二十多年的“長征”：他們分組在元素周期表中分區(qū)篩選活性組分；嘗試與各種載體搭配；改進(jìn)催化劑設(shè)計(jì)。分組合作，組會研討，艱苦實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，教師引領(lǐng)學(xué)生在思維中重走催化劑的“長征路”，在元素周期表里體驗(yàn)元素的“尋寶記”。通過課后習(xí)題的整體設(shè)計(jì)，講好中國的催化創(chuàng)新故事，用科學(xué)精神感染學(xué)生，錨定立德樹人的精神坐標(biāo)。

6 研究總結(jié)與展望

本研究以國家規(guī)劃的重點(diǎn)領(lǐng)域中尋找亟待解決的問題為情境和教學(xué)素材，讓學(xué)生了解我國科技工作者在催化化學(xué)前沿取得的重大成果，體現(xiàn)時(shí)代性；使學(xué)生主動挖掘化學(xué)前沿與基礎(chǔ)化學(xué)概念的聯(lián)系，體現(xiàn)基礎(chǔ)性；以中國科學(xué)家的催化科研經(jīng)歷弘揚(yáng)科學(xué)精神，體現(xiàn)人文性。整體設(shè)計(jì)習(xí)題，突破試題“碎片化”的頑疾，啟發(fā)學(xué)生從知識聯(lián)系和思想方法兩個(gè)方面建立統(tǒng)攝性的認(rèn)識。

科技強(qiáng)國的崛起要依靠科學(xué)家的崛起，科學(xué)家的崛起則依靠科學(xué)教育的崛起?？茖W(xué)教育成為大國博弈的前沿陣地^［16］。2023年5月，《教育部等十八部門關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》出臺，為我國培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體提出了總體要求和工作策略。

化學(xué)是科學(xué)教育領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科。《發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)》是與高等化學(xué)教育最為接近的一門高中選修課程，它是基礎(chǔ)化學(xué)與高等化學(xué)之間的“橋梁”課程，在培養(yǎng)具有科學(xué)家潛質(zhì)的人才方面具有積極作用。本書以豐富的中國催化創(chuàng)新成果為載體，將科技自信與中國精神在學(xué)生中間扎根，落實(shí)立德樹人。學(xué)生在選修課程學(xué)習(xí)中，了解國家重大戰(zhàn)略部署，立志在服務(wù)大局中實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值，將個(gè)人發(fā)展與國家需要緊密結(jié)合，踐行國之所向，心之所往。

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