面向地學(xué)類專業(yè)的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新研究

＊吳艷 李勇 廖桂英

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院 湖北 430078）

引言

大學(xué)化學(xué)實驗是理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在鞏固大學(xué)化學(xué)理論知識、如何結(jié)合專業(yè)特色，訓(xùn)練大學(xué)生基本實驗操作技能和培養(yǎng)科學(xué)思維創(chuàng)新能力等方面具有關(guān)鍵作用[1-3]。大學(xué)化學(xué)綜合實驗教學(xué)課程，對“教”與“學(xué)”均有重要意義。因此，如何有效結(jié)合專業(yè)特色開展基礎(chǔ)化學(xué)實驗課，一直是化學(xué)實驗教學(xué)中重點關(guān)注的課題[4-5]。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）擁有國家一級重點學(xué)科地質(zhì)學(xué)，國家二級重點學(xué)科古生物學(xué)與地層學(xué)、礦物學(xué)巖石學(xué)礦床學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)。到目前為止已有70余年的發(fā)展歷史，具有完備的學(xué)科體系。在學(xué)科建設(shè)中，學(xué)校以地球科學(xué)學(xué)科為中心，將數(shù)學(xué)、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科與其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以優(yōu)勢學(xué)科推動學(xué)科群建設(shè)，在地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、礦床學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)勘查與評價、頁巖氣和頁巖油理論與勘查評價、數(shù)學(xué)地質(zhì)與資源定量預(yù)測等方向具有優(yōu)勢與特色。這些學(xué)科有一個共同的特點，理論緊密與實踐結(jié)合，理論通過實踐予以驗證。

地質(zhì)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程，通常在大學(xué)第1～2學(xué)年開設(shè)。以此同時，在這個階段，大學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了普通物理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)物理方法等基礎(chǔ)課程，具備較好的理論基礎(chǔ)，對高等數(shù)學(xué)、誤差分析等理論工具也有了系統(tǒng)認(rèn)知[6]。大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的改革探索，主要體現(xiàn)在優(yōu)勢學(xué)科特色及科研成果的層層遞進(jìn)，將科研熱點和前沿問題與大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合，開展科研式的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)，教學(xué)過程既包括對科研熱點的實驗驗證，也包括實驗后的報告，其目的是讓大學(xué)生掌握大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識的同時，調(diào)動學(xué)生對地學(xué)的科研興趣，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[7-9]。

本實驗以凹凸棒復(fù)合納米礦物材料光催化降解為例，引導(dǎo)大學(xué)生了解礦物結(jié)構(gòu)在化學(xué)動力學(xué)中的影響。凹凸棒石的結(jié)構(gòu)[9-10]如圖1所示。

圖1 凹凸棒石的結(jié)構(gòu)示意圖

天然納米礦物材料，因其特殊的孔狀結(jié)構(gòu)而具有較大的比表面積、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、較強(qiáng)的吸附性能等特點，可作為納米半導(dǎo)體材料的理想固定載體，不但可以將納米半導(dǎo)體顆粒固定負(fù)載在其表面或孔道內(nèi)的凹槽中，解決了半導(dǎo)體材料團(tuán)聚的問題，還可以利用納米礦物材料較強(qiáng)的吸附性能，將溶液中的有機(jī)污染物定向富集，有效的增加了有機(jī)污染物與半導(dǎo)體催化劑的接觸面積。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）面向地學(xué)類專業(yè)的大學(xué)化學(xué)實驗，一方面能與礦物結(jié)合，另一方面體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的催化劑探究，因此，在大學(xué)化學(xué)實驗課中，結(jié)合地學(xué)類專業(yè)，有針對性地進(jìn)行實驗內(nèi)容的設(shè)計，具有現(xiàn)實價值。

大學(xué)化學(xué)實驗課程教學(xué)中，立足學(xué)校的學(xué)科特色和人才培養(yǎng)目標(biāo)，其綜合實驗突顯實用性、交叉性和創(chuàng)新性，引入天然礦物材料的優(yōu)勢，并制備了一系列不同復(fù)合比例的氧化鋅復(fù)合凹凸棒（ATP）復(fù)合材料，通過光催化降解亞甲基來分析凹凸棒對納米氧化鋅的影響，設(shè)計了納米氧化鋅負(fù)載在多孔的凹凸棒的創(chuàng)新實驗教學(xué)。本文旨在介紹一個全新的教學(xué)實驗，旨在激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)造性。

1.實驗?zāi)康?/h2>

（1）通過凹凸棒的提純，了解天然礦物的提純和分離方法；

（2）了解凹凸棒的功能應(yīng)用；

（3）了解掌握沉淀反應(yīng)基本方法；

（4）了解紫外-可見分光光度計工作原理及相關(guān)結(jié)果分析方法；

（5）培養(yǎng)學(xué)生對地學(xué)專業(yè)知識、化學(xué)基礎(chǔ)知識和實驗?zāi)芰Φ恼w認(rèn)知及相應(yīng)思維能力和創(chuàng)新意識。

2.實驗原理

本實驗采用分光光度計對合成的不同比例的ZnO/ATP進(jìn)行摻雜改性后的復(fù)合材料進(jìn)行光催化實驗。首先用紫外-可見分光光度計，測定亞甲基藍(lán)溶液在200～700nm范圍下光的吸收光譜，再通過吸收光譜找到亞甲基藍(lán)的最大吸收波長。本實驗測得的亞甲基藍(lán)溶液的最大吸收波長為665nm。亞甲基藍(lán)溶液在最大吸收波長處的吸光度與其濃度的關(guān)系符合朗伯比爾定律，朗伯-比爾定律的表達(dá)式由式（1）所示。

式中：A—吸光度；

T—透射比，是透射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度；

K—摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；

b—吸收層厚度；

c—吸光物質(zhì)的濃度。

通過測定亞甲基藍(lán)溶液在不同光催化反應(yīng)時間內(nèi)最大吸收波長處的吸光度的值，可以計算不同時間內(nèi)溶液的降解率，溶液的降解率可以用式（2）來計算。

式中：A0—亞甲基藍(lán)的初始吸光度；

A—t時刻亞甲基藍(lán)的吸光度。

通過亞甲基藍(lán)不同時間內(nèi)的降解曲線，可以展現(xiàn)出催化劑對亞甲基藍(lán)的降解性能。

3.儀器與試劑

儀器：紫外可見分光光度計、DF-101S型電熱恒溫水浴鍋、恒溫磁力攪拌器、型離心機(jī)、馬弗爐、電熱恒溫干燥箱。

礦樣及試劑：凹凸棒石、二水合乙酸鋅、氫氧化鈉、無水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、亞甲基藍(lán)、尿素。所有的試劑均為化學(xué)純。

4.實驗內(nèi)容

(1)凹凸棒石前處理

稱取一定量的200目篩的凹凸棒粉末于200mL的燒杯中，加適量的去離子水制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的礦漿，在攪拌的情況下向漿液中慢慢滴加NaOH溶液，直至漿液的pH=10，繼續(xù)攪拌1h，然后離心烘干，即得到前處理過的凹凸棒粉末。

(2)ZnO/ATP光催化劑的制備

稱取1.6463g的Zn(CH3COO)2·2H2O于A燒杯中，向燒杯中加入150mL的無水乙醇，在80℃的水浴中，使得Zn(CH3COO)2·2H2O完全溶解在醇溶液中，得到0.05mol/L的A溶液，冷卻至室溫，待用。再稱取1.20g的氫氧化鈉于B燒杯中，同樣加入150mL無水乙醇，常溫下在超聲清洗器中超聲使其溶解并分散均勻，得到B溶液。

向A溶液中加入與二水合乙酸鋅相同質(zhì)量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在磁力攪拌器上以900r/min的轉(zhuǎn)速攪拌20min，期間向其中加入不同質(zhì)量的凹凸棒粉末（5%，0.03213g；10%，0.06782g；15%，0.1077g；20%，0.1526g；30%，0.2616g；40%，0.4069g），反應(yīng)得到C溶液。

將B溶液移入分液漏斗中，控制其滴落速度，使其一滴一滴地加入到處于攪拌狀態(tài)的C溶液中，在1100r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌30min，靜置1h。之后轉(zhuǎn)移到離心管，離心得到沉淀，用去離子水洗滌兩次，再次離心，分離沉淀。將沉淀洗滌干燥，在馬弗爐中以10℃/min升溫至500℃，煅燒30min。研磨即可得到不同質(zhì)量比的ZnO/ATP復(fù)合樣品。

(3)光催化性能測試

取0.05g實驗制備的光催化材料于200mL燒杯中,加入150mL濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，向溶液中加入電動磁子，在攪拌的情況下進(jìn)行模擬日光光照。首先在不開燈的情況下，攪拌30min，做暗反應(yīng)實驗。然后開啟光源，分別在光照時間5min、10min、15min、30min、40min時取出一定量樣品，離心處理，取上清液。使用紫外-可見分光光度計測定其在665nm處的吸光度，以分析計算其降解性能。

(4)結(jié)果分析

不同復(fù)合比例的ZnO/ATP復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的降解實驗測試。分析不同復(fù)合比例的樣品在10min、20min、30min、45min時間內(nèi)的光催化性能。比較純ZnO，不同復(fù)合比例的樣品，在以凹凸棒為載體復(fù)合之后，其光催化降解效果，并計算降解速率及分析催化機(jī)理。

從上述實驗結(jié)果，分析理解凹凸棒ATP和ZnO在催化過程中的作用。ATP有利于亞甲基藍(lán)有機(jī)污染物的吸附，ZnO吸收太陽光，產(chǎn)生光生電子和空穴，光生空穴具有較強(qiáng)的氧化能力，從而氧化分解有機(jī)污染物亞甲基藍(lán)分子（圖2所示）。

圖2 ZnO/ATP降解機(jī)理圖

5.結(jié)論

面向地學(xué)類專業(yè)大學(xué)生的大學(xué)化學(xué)實驗中，設(shè)計天然礦物凹凸棒復(fù)合納米ZnO材料光催化降解有機(jī)污染物實驗。首先以天然礦物凹凸棒作為載體，制備了一系列不同復(fù)合比例的ZnO/ATP復(fù)合材料，并通過紫外可見分光光度計，對其進(jìn)行表征，研究不同復(fù)合比例樣品的光催化性能。負(fù)載ATP并沒有改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)，并在一定范圍內(nèi)，隨著ATP含量的提升，材料的光催化性能逐漸提高，但同時其吸附性能也增強(qiáng)，當(dāng)ATP含量增加大于30%時，材料的催化性能會因ZnO含量的減少而降低。負(fù)載ATP后，ZnO均勻的分散在礦物材料的表面，對其起到了固定作用，大大降低了ZnO的團(tuán)聚作用，且ATP的較強(qiáng)吸附作用使得亞甲基藍(lán)定向富集，提高了催化劑與亞甲基藍(lán)分子的接觸面積，材料的光催化性能與循環(huán)性能得到很大的提升。在該實驗教學(xué)中，大學(xué)生對天然礦物凹凸棒及納米ZnO的結(jié)構(gòu)有了初步了解，掌握了濕化學(xué)方法制備復(fù)合納米礦物材料和光降解性能測定方法，對于大學(xué)生后續(xù)開展地學(xué)類專業(yè)的科學(xué)研究和探索奠定拓展了視野、奠定了實驗認(rèn)知的基礎(chǔ)。