毛娜，段曉麗

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.寶雞市蔡家坡中學(xué)，陜西 寶雞 722405)

0 引言

科技創(chuàng)新是強國富民的關(guān)鍵，創(chuàng)新是國家和民族發(fā)展的重要力量，也是推動人類社會發(fā)展的關(guān)鍵力量。21世紀(jì)以來，由于科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，產(chǎn)生一輪新興的學(xué)科如大數(shù)據(jù)、人工智能和新能源等，給人類和世界的發(fā)展帶來蓬勃發(fā)展。同時為我國的高等教育帶來新的挑戰(zhàn)，及時調(diào)整專業(yè)設(shè)置和培養(yǎng)方案才能應(yīng)對為我國經(jīng)濟生活發(fā)展提供智力支持和人才保障。新一輪科技改革與產(chǎn)業(yè)革命，為國家培養(yǎng)造就一大批掌握高科技技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)秀科技人才，支撐科技服務(wù)創(chuàng)新創(chuàng)造驅(qū)動發(fā)展、提出“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略[1]。教育部在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)分別召開了綜合性高校和具有工科優(yōu)勢高校的新工科研討會，形成了新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識”和“天大行動”。并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成引領(lǐng)全球工程教育的中國模式和經(jīng)驗，助力于建設(shè)高等教育強國發(fā)展。新工科教育是在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上發(fā)展起卓越教育的升級版，為了進(jìn)一步促使我國從工程教育大國走向強國，在新一輪工程教育改革世界發(fā)揮重要影響力[2-3]。發(fā)展和構(gòu)健的新工科建設(shè)的“三部曲”，引導(dǎo)人才培養(yǎng)主方向，開拓了工程教育改革新旋律。系統(tǒng)深入地開展新工科發(fā)展和研究，從創(chuàng)新理論、完善政策、研究探索實踐中推進(jìn)和落實，把我國建設(shè)成工程教育強國，建立中國模式和標(biāo)準(zhǔn)工程教育強國品牌，形成世界工程教育創(chuàng)新中心和人才基地，為實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標(biāo)，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢作出新貢獻(xiàn)![4]2020年9月11日，習(xí)近平總書記主持召開中國科學(xué)院科學(xué)家座談會上指出，當(dāng)今世界正處在百年難遇的大變局之中，我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展面臨大機遇，使我國“十四五”時期以后的發(fā)展對加快科技創(chuàng)新和工程教育提出了更為迫切的要求[5]。

能源化工專業(yè)是我校2016年新開設(shè)的工科專業(yè)，屬于教育部提出的新工科的相關(guān)專業(yè)。能源化工是材料、化學(xué)、能源等學(xué)科交叉融合發(fā)展起來的工程學(xué)科，具有新工科的創(chuàng)新性、融合性、交叉性等特征。無機化學(xué)實驗是能源化工專業(yè)一門必修的基礎(chǔ)實驗課，該課程開設(shè)與第一學(xué)年，總課時81學(xué)時，旨在培養(yǎng)該專業(yè)本科生具備化學(xué)化工領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和實驗操作技能奠定基礎(chǔ)。無機化學(xué)實驗的課程內(nèi)容覆蓋面廣、知識點分散和理論性強的特點。為了掌握和增強實驗操作技能，以前大都是傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗，和科技前沿脫節(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致學(xué)生信息化融入新工科建設(shè)不足。根據(jù)新工科提出的新要求，提出了“一個核心、兩個提高、三個融合”的新思路，新思路的核心是培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，著力提高學(xué)生對工科的工程意識和設(shè)計研發(fā)能力，使通專融合、專創(chuàng)融合、多學(xué)科跨界交叉融合相互結(jié)合和發(fā)展，制定適合使學(xué)科向產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)變的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式，從單一的專業(yè)模式向交叉多學(xué)科融合轉(zhuǎn)變，從適用服務(wù)向科技前沿和引領(lǐng)科技轉(zhuǎn)變。配合著新的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式的課程體系調(diào)整[6]，本工科專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容提出了“兩貫通、三結(jié)合”的優(yōu)化思路，即在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的過程中，將思想政治教育和工程倫理教育相結(jié)合貫通。既要保證教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)的緊密結(jié)合，又要保證教學(xué)內(nèi)容與實際生產(chǎn)生活應(yīng)用的緊密結(jié)合和與科技前沿緊密結(jié)合[7-8]?？平倘诤鲜谴龠M(jìn)高校專業(yè)改革的方法之一，但在一些大學(xué)是有“名頭”無“應(yīng)用”，在長期的理論教學(xué)和科技前言發(fā)展相分離的教育理念下，高校優(yōu)質(zhì)豐富的科學(xué)研究資源始終無法應(yīng)用人才培養(yǎng)中，“錢學(xué)森之問”基本無解，很難培養(yǎng)出引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造創(chuàng)新人才?？平倘诤系睦碚搶嵺`應(yīng)用必須正確認(rèn)識人才培養(yǎng)與科學(xué)研究的本質(zhì)關(guān)系和特性?，F(xiàn)在我國已經(jīng)高度重視科教融合的理念，許多大學(xué)按照科教融合的理念進(jìn)行了人才培養(yǎng)的創(chuàng)新，取得了顯著的成效。中國科學(xué)院大學(xué)更是將科教融合作為一個核心命題來發(fā)展。

在新工科背景下，既要鍛煉學(xué)生的實驗操作技能，又要改變傳統(tǒng)的授課思路和掌握科學(xué)研究的前沿?zé)狳c問題，為以后其他相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，對教和學(xué)提出更高的要求。本課程根據(jù)教師的科研方向成果引入到工科專業(yè)的本科教學(xué)中，對工科專業(yè)的無機化學(xué)實驗進(jìn)行教學(xué)改革和探索。這既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能掌握科技前沿，使學(xué)生更容易掌握和理解。用焙燒法制備g-C3N4用于光催化分解水制氫為例，通過合成和表征及應(yīng)用，使學(xué)生掌握大型儀器的使用，通過實驗前的準(zhǔn)備階段、實驗中的摸索探究階段和實驗后的總結(jié)反思，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，為學(xué)生后續(xù)的科研學(xué)習(xí)奠基良好的基礎(chǔ)，更有助于提升當(dāng)代大學(xué)生的責(zé)任感和使命感。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

(1)了解焙燒浸漬法制備g-C3N4的方法；(2)學(xué)習(xí)大型儀器的基本原理和使用方法；(3)學(xué)習(xí)理解光催化分解水制氫的反應(yīng)機理；(4)掌握g-C3N4光催化分解水制氫的測試方法；(5)掌握數(shù)據(jù)分析處理。

1.2 實驗原理

石墨氮化碳(g-C3N4)是一種新型聚合物半導(dǎo)體，由于其合成簡單，能帶適合，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，使其成為目前的研究熱點。2009年，《Nature Materials》首次報道Wang Xinchen等用g-C3N4光催化劑用于光催化制H2。與TiO2相比，g-C3N4的能帶間隙適中，大約為2.7～2.8 eV，可見光吸收范圍約450～460 nm。g-C3N4由于特殊的結(jié)構(gòu)在空氣中的熱穩(wěn)定性高。g-C3N4還具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，不易被酸、堿或有機溶劑溶解等一些特點，因此它被認(rèn)為是一種很有潛力的無金屬半導(dǎo)體催化劑，有望在光催化應(yīng)用領(lǐng)域取得巨大發(fā)展[9]。

2 儀器與設(shè)備

2.1 實驗藥品

三聚氰胺(C3N3(NH2)3)，三乙醇胺(C6H15NO3(TEOA))，氯鉑酸(H4PtCl4)。

2.2 實驗儀器

傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)；粉末多晶X射線衍射(PXRD)；熱失重分析儀(TGA)。

2.3 實驗步驟

2.3.1 g-C3N4的制備

將適量5 g三聚氰胺放到坩堝中加熱到500 ℃，保溫2 h，將塊狀固體研磨成粉末，再加熱到550 ℃，保溫4 h。冷卻至室溫，得到黃色粉末純g-C3N4[9]。

2.3.2 催化劑的表征

2.3.3 催化劑性能評價

將100 mg g-C3N4光催化劑、80 mL水、20 mL三乙醇胺、5%1.5 mL H2PtCl4溶液置于120 mL反應(yīng)燒瓶中超聲，使樣品良好分散在溶劑中。反應(yīng)懸浮液經(jīng)脫氣排出反應(yīng)系統(tǒng)里的空氣后，用300 W氙燈(北京泊菲萊有限責(zé)任公司)攪拌輻照反應(yīng)懸浮液。在光催化過程中，用循環(huán)冷卻水對反應(yīng)溶液進(jìn)行降溫，利用配備熱電偶檢測器的氣相色譜儀(GC7900, Techcomp)對產(chǎn)生的氫氣量進(jìn)行了測定，可見光輻照采用長程截止濾波器(北京泊菲萊公司)。

2.4 結(jié)果與討論

g-C3N4的晶體結(jié)構(gòu)采用粉末X射線衍射(PXRD)測試。如圖1(a) g-C3N4出現(xiàn)了兩個衍射峰在13.5°和27.4°處，表明了g-C3N4的六方體石墨結(jié)構(gòu)[9]。

另外通過FT-IR觀察到化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖1(b))，g-C3N4的圖譜中顯示出振動峰，N-H2鍵的伸縮振動大約在3 000～3 500 cm-1，苯環(huán)的伸縮振動大約在1 620 cm-1處，s-三嗪環(huán)上的C-N鍵的伸縮振動大約在800～ 1 500 cm-1[9]。

圖1 g-C3N4的結(jié)構(gòu)

通過熱重測得g-C3N4的熱穩(wěn)定性，從圖2(a)可以看出20～600 ℃，g-C3N4質(zhì)量減少大約10%左右，這可能失去的是g-C3N4表面吸附的水分子，600～800 ℃ g-C3N4的質(zhì)量減少70%多，這可能是聚合物分解。

復(fù)合材料的光催化活性用光催化制H2速率來評價(圖2(b))，在80 mL(80%)水中加入100 mg光催化劑負(fù)載1.5 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的 Pt助催化劑和20 mL TEOA(20%)，純g-C3N4的HER是5.79 μmol/h，在 可見光照射下不加Pt和加入Pt的純g-C3N4HER分別是1.48 μmol/h和3.09 μmol/h，由 于助催 化劑Pt的加入，加快了光催化反應(yīng)速率。

圖2 g-C3N4的熱重曲線和光催化制氫數(shù)據(jù)

3 新工科背景下

3.1 實驗前實驗方案的制定

在落實“雙碳”目標(biāo)中，一方面要加強生態(tài)環(huán)境區(qū)管控和規(guī)劃，嚴(yán)格控制“高耗能和高污染”項目審批，逐步控制消費化石能源的總量，解決清潔能源的問題；另一方面要提升生產(chǎn)過程的清潔和污染水平的防治，促進(jìn)兩碳技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，盡早達(dá)到“雙碳”目標(biāo)?；剂系倪^度消耗，使人類在能源需求和環(huán)境問題方面所面臨的挑戰(zhàn)日益加重，這些問題激發(fā)了人們對能源和環(huán)境方面的重新認(rèn)知。隨著工業(yè)化和人口的增長，預(yù)計到2050年，全球?qū)⑿枰茉垂?yīng)是目前的兩倍。目前，石油、煤炭和天然氣等化石燃料是世界能源消耗需求的主要依賴，并且化石燃料的燃燒將不可避免地導(dǎo)致對環(huán)境的危害。因此，人們一直在尋求化學(xué)、物理、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)來克服這些困難，能使能源有效的轉(zhuǎn)化和環(huán)境得到保護(hù)。在各種可再生能源項目中，光催化技術(shù)是清潔的太陽能轉(zhuǎn)化的可行性技術(shù)，在未來新能源開發(fā)中占重要位置[6-7]。因此，合理高效地利用太陽能可以解決未來的環(huán)境污染和能源匱乏等問題。在“雙碳”目標(biāo)背景下和發(fā)展清潔能源的思路下，結(jié)合申請雙一流高校提出的科教融合的思路，既要夯實學(xué)生實驗操作基礎(chǔ)，又要緊跟科技前沿研究。通過閱讀大量的文獻(xiàn)，掌握目前解決能源危機的新方法。因此，幫助學(xué)生選擇g-C3N4光催化分解水制氫的方法及反應(yīng)機理的課題，歸納總結(jié)各類文獻(xiàn)中g(shù)-C3N4光催化分解水制氫的研究進(jìn)展，提出實驗的方案和流程。在調(diào)研階段，學(xué)生通過查找中英文文獻(xiàn)，了解化學(xué)材料的前言方向，增強掌握科研發(fā)展方向的能力。通過組會交流討論，掌握學(xué)習(xí)獲取關(guān)鍵信息的能力。并通過設(shè)計實驗方案，有效提高學(xué)生信息整合的能力和知識遷移的能力，為以后基礎(chǔ)實驗和綜合實驗打下良好的實踐能力，同時也提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合、相轉(zhuǎn)化的能力。

3.2 實驗中的實踐階段

在實驗過程中，學(xué)習(xí)g-C3N4的各種制備方法，掌握光催化分解水制氫的方法。觀察記錄實驗中發(fā)生的現(xiàn)象，了解思考各種制備方法的區(qū)別和優(yōu)缺點。實現(xiàn)純g-C3N4光催化分解水制氫的實驗，從光催化體系的調(diào)試、光源的操作、實驗中混合溶液的比例、氣相色譜的使用等，同時，使學(xué)生掌握和了解大型儀器的使用和操作。在實驗中的實踐階段，通過實驗過程的操作和知識體系的實踐，使學(xué)生掌握提出問題和解決問題的新方法、新思路，同時提升學(xué)生動手操作能力和合作團隊精神，培養(yǎng)學(xué)生科研思想和創(chuàng)新思維，為以后生涯奠基良好的基礎(chǔ)。

3.3 實驗后的總結(jié)

在實驗結(jié)束，學(xué)會使用化學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)和說明問題，掌握科技論文的寫作方法和技巧。用化學(xué)軟件繪制相應(yīng)的圖表，并對圖表進(jìn)行相應(yīng)的分析和討論，得出與實驗相結(jié)合有意義的結(jié)論，根據(jù)實驗結(jié)論，科學(xué)規(guī)范地書寫科研論文以及科研項目書。在實驗后的總結(jié)階段可以鍛煉學(xué)生的文字寫作能力和歸納總結(jié)能力，使學(xué)生放開視野掌握了解世界前沿發(fā)展和各國的科技綜合實力，使學(xué)生有使命感和擔(dān)當(dāng)責(zé)任感。

4 結(jié)語

新工科背景下工科專業(yè)的發(fā)展和改革是各高校發(fā)展重要目標(biāo)，同時國家提出“雙碳”目標(biāo)，結(jié)合世界各個國家的能源危機和環(huán)境污染問題?？平倘诤弦彩请p一流高校建設(shè)的途徑之一，把豐富的科研優(yōu)質(zhì)資源轉(zhuǎn)化成工業(yè)也是人才培養(yǎng)的選擇之一。本實驗將g-C3N4的制備及光催化分解水制氫的研究成果引入到能源化工專業(yè)的本科教學(xué)中，體現(xiàn)了科研和教學(xué)相互支撐，同時使學(xué)生學(xué)到的理論知識和應(yīng)用實踐相結(jié)合。在實驗不同的階段，使學(xué)生掌握分析問題、解決問題的能力和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新思維，了解不同國家的科研綜合能力，使當(dāng)代大學(xué)生具有責(zé)任感和使命感。