基于“大學(xué)化學(xué)”的科創(chuàng)培育模式探索

周葦，鹿現(xiàn)永，田東亮

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100191

“新工科”建設(shè)是在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的基礎(chǔ)上，由教育部提出的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃，目的是要培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才[1]?；瘜W(xué)作為自然科學(xué)的中心學(xué)科之一，具有理論基礎(chǔ)、交叉性強(qiáng)的特點(diǎn)，更是促進(jìn)能源、環(huán)境、材料、生物、信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域前沿研究的基礎(chǔ)學(xué)科[2]。我們所處的時(shí)代具有知識(shí)量大、信息迭代快的特點(diǎn)，積極推進(jìn)“新工科”的建設(shè)，讓老的知識(shí)在這個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代展現(xiàn)新的活力，主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略人才培養(yǎng)的需求，就必須注重“兩性一度”，將“應(yīng)試”知識(shí)挖掘拓展為“實(shí)用”知識(shí)[3]。

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院承擔(dān)的“大學(xué)化學(xué)”課程面向航空航天大類大一新生開(kāi)設(shè)，涵蓋基本化學(xué)原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，具有知識(shí)抽象、公式繁多、自成體系等特點(diǎn)。此課程一方面學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中易于感覺(jué)枯燥，容易產(chǎn)生厭學(xué)怠學(xué)等情緒；另一方面課程知識(shí)體系與實(shí)際應(yīng)用貫通不足，交叉融合不夠，知識(shí)的實(shí)用性有待挖掘與拓展[4]。如何讓知識(shí)與能源或環(huán)境等現(xiàn)今社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)研究接軌，通過(guò)對(duì)化學(xué)知識(shí)延伸并與本科生科研實(shí)踐聯(lián)系，既有助于學(xué)生明晰其應(yīng)用價(jià)值，利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，更能在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，提高其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。顯然，這類探索是非常有必要的。

1 基于“大學(xué)化學(xué)”的科創(chuàng)培育模式

北京航空航天大學(xué)有著鼓勵(lì)本科生參與科研訓(xùn)練與實(shí)踐的傳統(tǒng)。北航“馮如杯”競(jìng)賽始創(chuàng)于1990年，以我國(guó)航空先驅(qū)馮如先生命名，每年4-5月舉辦，目前已經(jīng)舉辦過(guò)32屆，學(xué)生參與面廣、參與積極性高，是北航一年一度的科技盛會(huì)，也是引導(dǎo)廣大學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐與科研活動(dòng)的重要平臺(tái)?？蒲形⒄n題則是同時(shí)處于教學(xué)一線和研究一線的教師為本科生的培養(yǎng)，結(jié)合個(gè)人專業(yè)所長(zhǎng)，自主設(shè)置的科研訓(xùn)練與實(shí)踐的平臺(tái)。比如，筆者近年為本科生提供的科研微課題“納米電催化劑的制備與制氫研究”，圍繞著備受關(guān)注的綠色能源——?dú)淠?，開(kāi)展研發(fā)高性能低成本的電解水納米催化劑，以實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率，降低氫能成本。

“大學(xué)化學(xué)”課程的改革即以上述實(shí)踐活動(dòng)為契機(jī)，教師凝練出可進(jìn)行科研創(chuàng)新的知識(shí)點(diǎn)，補(bǔ)充交叉領(lǐng)域的背景知識(shí)或前沿進(jìn)展，進(jìn)行課堂知識(shí)拓展，引導(dǎo)與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，教師可設(shè)置不同的微課題，通過(guò)自愿加入或教師鼓勵(lì)等模式，為有興趣與潛力的學(xué)生提供3-6個(gè)月時(shí)間的科研微課題。經(jīng)過(guò)科研訓(xùn)練與實(shí)踐，一方面加深了課堂知識(shí)，另一方面架構(gòu)了化學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，最后也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。課程結(jié)束后，部分學(xué)生會(huì)堅(jiān)持下去，將微課題做深，為參加“馮如杯”科技作品競(jìng)賽打下基礎(chǔ)。通過(guò)將課堂、微課題與競(jìng)賽相串聯(lián)，打通從知識(shí)學(xué)習(xí)到科研訓(xùn)練的本科生培養(yǎng)環(huán)節(jié)，形成了“課堂-微課題-競(jìng)賽”人才連續(xù)化培育模式，在教學(xué)改革與科研創(chuàng)新方面均取得了較好成效。

圖1為連續(xù)化培養(yǎng)模式，主要包括三部分內(nèi)容：以教師授課為主的課堂知識(shí)凝練環(huán)節(jié)，隨著知識(shí)點(diǎn)的凝練逐步拓展出的科研微課題項(xiàng)目，以及學(xué)生經(jīng)過(guò)微課題實(shí)踐后為競(jìng)賽做準(zhǔn)備的更高層次的科研創(chuàng)新訓(xùn)練。其中，“大學(xué)化學(xué)”知識(shí)發(fā)散、理論性強(qiáng)，易于凝練出可拓展的知識(shí)點(diǎn)，如圖1提及的四點(diǎn)：電解水與超電勢(shì)、阿倫尼烏斯公式、化學(xué)電源、沉淀的轉(zhuǎn)換。從第一點(diǎn)“電解水與超電勢(shì)”可探討如何降低電解水體系的超電勢(shì)，進(jìn)而發(fā)展到“電解水催化劑的研究”。阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)是我們熟悉的表征化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的公式，把動(dòng)力學(xué)的研究放在具體的科研場(chǎng)景中，會(huì)帶來(lái)一些創(chuàng)新研究，所以這里也可設(shè)置一個(gè)微課題?！盎瘜W(xué)電源”包括一次電池、二次電池與連續(xù)電池?？紤]現(xiàn)今“能源革命”的背景，它可以挖掘出許多重要的微課題，我們則重點(diǎn)關(guān)注目前極具前景的鋰/鈉離子電池[5,6]，并為之設(shè)置了一個(gè)能源方向的微課題。而在環(huán)境領(lǐng)域，水污染及處理一直都是社會(huì)關(guān)注的重心，這里可以借助“水溶液化學(xué)”中的“沉淀的轉(zhuǎn)換”有關(guān)的溶度積的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行去除重金屬離子的納米吸附劑的研究。如圖1所示，知識(shí)點(diǎn)凝練拓展出微課題，微課題的進(jìn)展促使競(jìng)賽作品的誕生。同時(shí)利用微課題的實(shí)踐情況，可以調(diào)整課堂知識(shí)講授；將科技競(jìng)賽中存在的問(wèn)題反饋給微課題，依據(jù)反饋結(jié)果隨時(shí)對(duì)前面環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整?！罢n堂-微課題-競(jìng)賽”的培育模式不僅有利于探究化學(xué)知識(shí)與其他學(xué)科交叉創(chuàng)新的可能性，更重要的是，利用科研過(guò)程中收獲的豐富知識(shí)反哺課堂，再通過(guò)多輪次培育模式進(jìn)行知識(shí)精煉，讓“大學(xué)化學(xué)”越來(lái)越接地氣。

圖1 “課堂-微課題-競(jìng)賽”的連續(xù)化培養(yǎng)模式圖

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例

除了圖1列舉的4個(gè)例子，基于“大學(xué)化學(xué)”的學(xué)科知識(shí)還可以凝練出更多有意義的課題，這些亟待熟悉大學(xué)化學(xué)課堂并活躍在科研第一線的教師的實(shí)踐總結(jié)。這里就上述提及的“納米電催化劑的制備與制氫研究”這個(gè)微課題孵化出的兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例“電解與電催化制氫催化劑的研究”及“阿倫尼烏斯公式的創(chuàng)新應(yīng)用”，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，希望為同行的教學(xué)研究起到拋磚引玉的效果。

2.1 電解與電催化制氫催化劑的研究

“大學(xué)化學(xué)”中“電化學(xué)”內(nèi)容主要包括原電池與電解兩部分。電解內(nèi)容中，電解水會(huì)存在超電勢(shì)(overpotential)，通常到1.8 V以上才能實(shí)現(xiàn)水的分解。越高的分解電壓，意味著產(chǎn)生同樣量的氫氣需要更多的電能，也就是氫氣成本更高。因此，降低超電勢(shì)是電解水亟待解決的問(wèn)題。

在此時(shí)的教學(xué)內(nèi)容中，首先分析超電勢(shì)產(chǎn)生的多種原因以及降低超電勢(shì)的途徑。同時(shí)可以提及“雙碳”目標(biāo)，介紹溫室氣體效應(yīng)帶來(lái)的危害。減少高碳化石能源的利用，發(fā)展零碳的氫能是最直接的途徑。我國(guó)在風(fēng)力、太陽(yáng)能、水力發(fā)電領(lǐng)域極具優(yōu)勢(shì)，但這些能源形式受季節(jié)影響，具有不穩(wěn)定性。為了保證能源的穩(wěn)定且持續(xù)供應(yīng)，需要將通過(guò)清潔能源獲得的電量加以儲(chǔ)存，而氫能是一類優(yōu)異的化學(xué)儲(chǔ)能形式。電解水制氫則提供了一種規(guī)?；鍧嵵茪涞耐緩絒7]。但為了降低氫能成本，需要提高電能向氫能的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，水到渠成地引入發(fā)展高性能電催化劑，通過(guò)降低超電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高的能量轉(zhuǎn)換效率的研究意義。

通過(guò)上述背景知識(shí)的介紹，有些本科生表現(xiàn)出極大興趣，會(huì)主動(dòng)詢問(wèn)相應(yīng)的研究，筆者會(huì)推薦合適的文獻(xiàn)讓他們閱讀，并吸收他們加入之后的“科研微課題”，參與到科研訓(xùn)練中。水電解的反應(yīng)包括兩個(gè)半電池反應(yīng)，即正極的析氧反應(yīng)(oxygen evolution reaction，OER)和負(fù)極的析氫反應(yīng)(hydrogen evolution reaction，HER)。再根據(jù)E=φ+-φ-的公式，查得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的E?為1.23 V。即電解水在某電流密度下的真實(shí)電勢(shì)值減去1.23 V，即為超電勢(shì)。而析氧和析氫電催化劑則是在電極表面提供豐富的活性位點(diǎn)，通過(guò)形成中間相，降低反應(yīng)的活化能壘，進(jìn)而使得整個(gè)反應(yīng)的超電勢(shì)降低。圖2為以博士生為副導(dǎo)師帶領(lǐng)本科生開(kāi)展的科研結(jié)果示意圖，即利用研制的插層型NiFe-LDH (層狀雙氫氧化物)和異質(zhì)結(jié)磷化物分別作為OER和HER催化劑，讓通常高于1.8 V的分解電壓降至1.5 V以下，使得一節(jié)干電池即可驅(qū)動(dòng)水的電解，有效提高了能量轉(zhuǎn)換效率[8]。也有本科生參與研究正負(fù)極催化劑的匹配，進(jìn)行電化學(xué)性能調(diào)控的研究[9]。

圖2 催化劑輔助電解水的科研結(jié)果圖例

在之后的課堂中，我們秉承“從學(xué)生中來(lái)，到學(xué)生中去”的思想，將取得的研究結(jié)果，再作為拓展知識(shí)在課堂中介紹，很容易引起學(xué)習(xí)者的知識(shí)共鳴?；瘜W(xué)是一門注重基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，將基礎(chǔ)理論拓展到與社會(huì)息息相關(guān)的新能源領(lǐng)域，再將得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為案例重新引入課堂，通過(guò)基礎(chǔ)知識(shí)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的融合與驗(yàn)證，不僅豐富了“大學(xué)化學(xué)”氧化還原知識(shí)體系的內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)“超電勢(shì)”概念的理解，更有助于創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化學(xué)生的思維能力。

2.2 阿倫尼烏斯公式的創(chuàng)新應(yīng)用

1885年Hood根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指出活化能具有指數(shù)形式的溫度依賴性，但未給出具體的公式[10]。1889年，類比熱力學(xué)的van’t Hoff方程，Arrhenius將活化能視為發(fā)生反應(yīng)所需克服的能壘，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出阿倫尼烏斯公式[11-13]。碰撞理論認(rèn)為速率常數(shù)k與[T1/2exp(-E/RT)]成正比；過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為k與[Texp(-E/RT)]成正比。結(jié)合二者，總結(jié)公式如下：k=k0Tmexp(-E/RT)。其中，m是一個(gè)附加參數(shù)，通常在0 ＜m＜ 1的范圍內(nèi)，特殊情況下m＞ 1。其中，與指數(shù)項(xiàng)[exp(-E/RT)]相比，公式中Tm對(duì)k的影響非常小[14]。后來(lái)用指前因子A代替k0Tm，一般情況下認(rèn)為溫度對(duì)A影響不大。

阿倫尼烏斯公式廣泛應(yīng)用在食品、生物等領(lǐng)域中，用于研究化學(xué)反應(yīng)中溫度對(duì)速率的影響規(guī)律，以及尋找合適的反應(yīng)溫度等。由于該模型要求速率隨溫度單調(diào)增加，對(duì)于特殊反應(yīng)，如具有最佳溫度的酶促反應(yīng)和微生物生長(zhǎng)研究則會(huì)受限，因?yàn)槊富蛭⑸镌诟邷叵乱资Щ?。此時(shí)的阿倫尼烏斯公式則需要一定的校正，才能適用[15]。這是講化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)的活化能和阿倫尼烏斯公式涉及到的歷史背景，有助于學(xué)生理解van’t Hoff方程和Arrhenius公式存在T1和T2兩個(gè)溫度時(shí)形式的類似，以及在特殊體系此公式的溫度適用范圍。

顯然，阿倫尼烏斯公式是前人在若干實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上歸納的用以揭示反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)式。教師引導(dǎo)學(xué)生將之拓展到電化學(xué)反應(yīng)體系，并結(jié)合目前熱門的氫能領(lǐng)域電解水制氫催化劑的研制，用以考察不同催化劑下水分解反應(yīng)的反應(yīng)能壘的高低，借以篩選能有效降低反應(yīng)能壘的更優(yōu)異的催化劑。這部分知識(shí)的拓展在課堂完成，鼓勵(lì)學(xué)生去查找早期關(guān)于阿倫尼烏斯公式的研究與應(yīng)用。并結(jié)合后面開(kāi)展的“科研微課題”，帶領(lǐng)感興趣的學(xué)生加入到高性能催化劑的篩選中。如，在堿性電解液中，析氫基元反應(yīng)步驟如下[16]，

其中，*號(hào)代表催化劑的活性位點(diǎn)。根據(jù)反應(yīng)速率不同，可能是Volmer-Heyrovsky的析氫步驟，也可能是Volmer-Tafel的析氫步驟。其中，Volmer步驟即水裂解過(guò)程通常被認(rèn)為是限速步，是此電催化體系最需要跨過(guò)的能壘。首先，我們通過(guò)合適溫度范圍內(nèi)的變溫實(shí)驗(yàn)，利用阿倫尼烏斯公式求得此體系的能壘值Ea。但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將催化劑涂覆到電極表面，涂覆劑的制備、涂覆量、涂覆手法等均會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，存在一定測(cè)試誤差。為了更好地揭示催化劑的催化效果，我們對(duì)單片層催化劑進(jìn)行掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)的變溫測(cè)試，同樣利用阿倫尼烏斯公式，可以求得單片層催化劑表面水裂解步驟的能壘。甚至，我們可以通過(guò)密度泛函理論計(jì)算(DFT)，依據(jù)上述反應(yīng)式(1)，構(gòu)建催化劑的原子模型結(jié)構(gòu)，計(jì)算水吸附、水劈裂、釋放OH-各個(gè)步驟的表面能，通過(guò)這些能量差，得到理想狀態(tài)的活化能的數(shù)值。上述研究分別從宏觀體相(電化學(xué)實(shí)驗(yàn))和微納尺度(單片層測(cè)試)，利用阿倫尼烏斯公式，獲得催化體系的活化能數(shù)值。且與目前熱門的計(jì)算化學(xué)(原子分子尺度的DFT計(jì)算)得到的活化能數(shù)值，互為驗(yàn)證。如圖3所示，將這三類方法結(jié)合，我們驗(yàn)證了復(fù)合型催化劑NiCoP@MXene較單一成分的催化劑NiCoP，對(duì)Volmer基元反應(yīng)步驟的活化能降低了16.0%-22.1%，提出了一種篩選催化劑的跨尺度驗(yàn)證的可靠方法[16]。將這部分研究?jī)?nèi)容引入課堂，可以加深學(xué)生對(duì)阿倫尼烏斯公式的深度理解，對(duì)化學(xué)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)研究在原子分子尺度上有更感性的認(rèn)識(shí)，加深課堂印象，啟發(fā)學(xué)生以后的科學(xué)創(chuàng)新研究。

圖3 基于Arrhenius公式進(jìn)行科研創(chuàng)新的圖例

3 結(jié)語(yǔ)

筆者用課堂知識(shí)的凝練、帶領(lǐng)本科生做科研微課題及參加科技競(jìng)賽的經(jīng)歷，證實(shí)了“課堂-微課題-競(jìng)賽”的連續(xù)化培養(yǎng)模式的可行性。一方面，將教學(xué)與科研連接，是一類高效的人才培育模式，并且前面學(xué)生獲獎(jiǎng)或參與科學(xué)研究的成功經(jīng)驗(yàn)會(huì)激發(fā)低年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另一方面，從化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)中挖掘出來(lái)的微課題，經(jīng)過(guò)孵化產(chǎn)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例，被重新引入課堂，極大豐富并優(yōu)化了“大學(xué)化學(xué)”的知識(shí)體系，順應(yīng)“新工科”的培育需求，賦予了化學(xué)知識(shí)新的生命力。