新工科理念下无机化学实验教学探索

毛娜，段晓丽

(1.渭南师范学院 化学与材料学院，陕西 渭南 714099；2.宝鸡市蔡家坡中学，陕西 宝鸡 722405)

0 引言

科技创新是强国富民的关键，创新是国家和民族发展的重要力量，也是推动人类社会发展的关键力量。21世纪以来，由于科学技术的大力发展，产生一轮新兴的学科如大数据、人工智能和新能源等，给人类和世界的发展带来蓬勃发展。同时为我国的高等教育带来新的挑战，及时调整专业设置和培养方案才能应对为我国经济生活发展提供智力支持和人才保障。新一轮科技改革与产业革命，为国家培养造就一大批掌握高科技技术与产业发展的优秀科技人才，支撑科技服务创新创造驱动发展、提出“中国制造2025”等一系列国家战略[1]。教育部在复旦大学和天津大学分别召开了综合性高校和具有工科优势高校的新工科研讨会，形成了新工科建设的“复旦共识”和“天大行动”。并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成引领全球工程教育的中国模式和经验，助力于建设高等教育强国发展。新工科教育是在传统工科的基础上发展起卓越教育的升级版，为了进一步促使我国从工程教育大国走向强国，在新一轮工程教育改革世界发挥重要影响力[2-3]。发展和构健的新工科建设的“三部曲”，引导人才培养主方向，开拓了工程教育改革新旋律。系统深入地开展新工科发展和研究，从创新理论、完善政策、研究探索实践中推进和落实，把我国建设成工程教育强国，建立中国模式和标准工程教育强国品牌，形成世界工程教育创新中心和人才基地，为实现“两个一百年”奋斗目标，实现中华民族伟大复兴的中国梦作出新贡献![4]2020年9月11日，习近平总书记主持召开中国科学院科学家座谈会上指出，当今世界正处在百年难遇的大变局之中，我国经济和科技的发展面临大机遇，使我国“十四五”时期以后的发展对加快科技创新和工程教育提出了更为迫切的要求[5]。

能源化工专业是我校2016年新开设的工科专业，属于教育部提出的新工科的相关专业。能源化工是材料、化学、能源等学科交叉融合发展起来的工程学科，具有新工科的创新性、融合性、交叉性等特征。无机化学实验是能源化工专业一门必修的基础实验课，该课程开设与第一学年，总课时81学时，旨在培养该专业本科生具备化学化工领域的基础知识和实验操作技能奠定基础。无机化学实验的课程内容覆盖面广、知识点分散和理论性强的特点。为了掌握和增强实验操作技能，以前大都是传统的经典实验，和科技前沿脱节严重，导致学生信息化融入新工科建设不足。根据新工科提出的新要求，提出了“一个核心、两个提高、三个融合”的新思路，新思路的核心是培养学生的综合能力，着力提高学生对工科的工程意识和设计研发能力，使通专融合、专创融合、多学科跨界交叉融合相互结合和发展，制定适合使学科向产业需求转变的专业建设和人才培养模式，从单一的专业模式向交叉多学科融合转变，从适用服务向科技前沿和引领科技转变。配合着新的专业建设和人才培养模式的课程体系调整[6]，本工科专业的教学内容提出了“两贯通、三结合”的优化思路，即在优化教学内容的过程中，将思想政治教育和工程伦理教育相结合贯通。既要保证教学内容与培养目标的紧密结合，又要保证教学内容与实际生产生活应用的紧密结合和与科技前沿紧密结合[7-8]。科教融合是促进高校专业改革的方法之一，但在一些大学是有“名头”无“应用”，在长期的理论教学和科技前言发展相分离的教育理念下，高校优质丰富的科学研究资源始终无法应用人才培养中，“钱学森之问”基本无解，很难培养出引领科学技术的发明创造创新人才。科教融合的理论实践应用必须正确认识人才培养与科学研究的本质关系和特性。现在我国已经高度重视科教融合的理念，许多大学按照科教融合的理念进行了人才培养的创新，取得了显著的成效。中国科学院大学更是将科教融合作为一个核心命题来发展。

在新工科背景下，既要锻炼学生的实验操作技能，又要改变传统的授课思路和掌握科学研究的前沿热点问题，为以后其他相关学科的学习打下坚实的基础，对教和学提出更高的要求。本课程根据教师的科研方向成果引入到工科专业的本科教学中，对工科专业的无机化学实验进行教学改革和探索。这既能激发学生的学习兴趣，又能掌握科技前沿，使学生更容易掌握和理解。用焙烧法制备g-C3N4用于光催化分解水制氢为例，通过合成和表征及应用，使学生掌握大型仪器的使用，通过实验前的准备阶段、实验中的摸索探究阶段和实验后的总结反思，培养学生科学思维和创新思维，为学生后续的科研学习奠基良好的基础，更有助于提升当代大学生的责任感和使命感。

1 实验设计

1.1 实验目的

(1)了解焙烧浸渍法制备g-C3N4的方法；(2)学习大型仪器的基本原理和使用方法；(3)学习理解光催化分解水制氢的反应机理；(4)掌握g-C3N4光催化分解水制氢的测试方法；(5)掌握数据分析处理。

1.2 实验原理

石墨氮化碳(g-C3N4)是一种新型聚合物半导体，由于其合成简单，能带适合，物理化学性质稳定等优点，使其成为目前的研究热点。2009年，《Nature Materials》首次报道Wang Xinchen等用g-C3N4光催化剂用于光催化制H2。与TiO2相比，g-C3N4的能带间隙适中，大约为2.7～2.8 eV，可见光吸收范围约450～460 nm。g-C3N4由于特殊的结构在空气中的热稳定性高。g-C3N4还具有优良的稳定性，不易被酸、碱或有机溶剂溶解等一些特点，因此它被认为是一种很有潜力的无金属半导体催化剂，有望在光催化应用领域取得巨大发展[9]。

2 仪器与设备

2.1 实验药品

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

2.2 实验仪器

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)；粉末多晶X射线衍射(PXRD)；热失重分析仪(TGA)。

2.3 实验步骤

2.3.1 g-C3N4的制备

将适量5 g三聚氰胺放到坩埚中加热到500 ℃，保温2 h，将块状固体研磨成粉末，再加热到550 ℃，保温4 h。冷却至室温，得到黄色粉末纯g-C3N4[9]。

2.3.2 催化剂的表征

2.3.3 催化剂性能评价

将100 mg g-C3N4光催化剂、80 mL水、20 mL三乙醇胺、5%1.5 mL H2PtCl4溶液置于120 mL反应烧瓶中超声，使样品良好分散在溶剂中。反应悬浮液经脱气排出反应系统里的空气后，用300 W氙灯(北京泊菲莱有限责任公司)搅拌辐照反应悬浮液。在光催化过程中，用循环冷却水对反应溶液进行降温，利用配备热电偶检测器的气相色谱仪(GC7900, Techcomp)对产生的氢气量进行了测定，可见光辐照采用长程截止滤波器(北京泊菲莱公司)。

2.4 结果与讨论

g-C3N4的晶体结构采用粉末X射线衍射(PXRD)测试。如图1(a) g-C3N4出现了两个衍射峰在13.5°和27.4°处，表明了g-C3N4的六方体石墨结构[9]。

另外通过FT-IR观察到化学结构(图1(b))，g-C3N4的图谱中显示出振动峰，N-H2键的伸缩振动大约在3 000～3 500 cm-1，苯环的伸缩振动大约在1 620 cm-1处，s-三嗪环上的C-N键的伸缩振动大约在800～ 1 500 cm-1[9]。

图1 g-C3N4的结构

通过热重测得g-C3N4的热稳定性，从图2(a)可以看出20～600 ℃，g-C3N4质量减少大约10%左右，这可能失去的是g-C3N4表面吸附的水分子，600～800 ℃ g-C3N4的质量减少70%多，这可能是聚合物分解。

复合材料的光催化活性用光催化制H2速率来评价(图2(b))，在80 mL(80%)水中加入100 mg光催化剂负载1.5 mL 质量分数为3%的 Pt助催化剂和20 mL TEOA(20%)，纯g-C3N4的HER是5.79 μmol/h，在 可见光照射下不加Pt和加入Pt的纯g-C3N4HER分别是1.48 μmol/h和3.09 μmol/h，由 于助催 化剂Pt的加入，加快了光催化反应速率。

图2 g-C3N4的热重曲线和光催化制氢数据

3 新工科背景下

3.1 实验前实验方案的制定

在落实“双碳”目标中，一方面要加强生态环境区管控和规划，严格控制“高耗能和高污染”项目审批，逐步控制消费化石能源的总量，解决清洁能源的问题；另一方面要提升生产过程的清洁和污染水平的防治，促进两碳技术的应用和创新，尽早达到“双碳”目标。化石燃料的过度消耗，使人类在能源需求和环境问题方面所面临的挑战日益加重，这些问题激发了人们对能源和环境方面的重新认知。随着工业化和人口的增长，预计到2050年，全球将需要能源供应是目前的两倍。目前，石油、煤炭和天然气等化石燃料是世界能源消耗需求的主要依赖，并且化石燃料的燃烧将不可避免地导致对环境的危害。因此，人们一直在寻求化学、物理、材料科学和工程领域的前沿技术来克服这些困难，能使能源有效的转化和环境得到保护。在各种可再生能源项目中，光催化技术是清洁的太阳能转化的可行性技术，在未来新能源开发中占重要位置[6-7]。因此，合理高效地利用太阳能可以解决未来的环境污染和能源匮乏等问题。在“双碳”目标背景下和发展清洁能源的思路下，结合申请双一流高校提出的科教融合的思路，既要夯实学生实验操作基础，又要紧跟科技前沿研究。通过阅读大量的文献，掌握目前解决能源危机的新方法。因此，帮助学生选择g-C3N4光催化分解水制氢的方法及反应机理的课题，归纳总结各类文献中g-C3N4光催化分解水制氢的研究进展，提出实验的方案和流程。在调研阶段，学生通过查找中英文文献，了解化学材料的前言方向，增强掌握科研发展方向的能力。通过组会交流讨论，掌握学习获取关键信息的能力。并通过设计实验方案，有效提高学生信息整合的能力和知识迁移的能力，为以后基础实验和综合实验打下良好的实践能力，同时也提高学生理论与实践相结合、相转化的能力。

3.2 实验中的实践阶段

在实验过程中，学习g-C3N4的各种制备方法，掌握光催化分解水制氢的方法。观察记录实验中发生的现象，了解思考各种制备方法的区别和优缺点。实现纯g-C3N4光催化分解水制氢的实验，从光催化体系的调试、光源的操作、实验中混合溶液的比例、气相色谱的使用等，同时，使学生掌握和了解大型仪器的使用和操作。在实验中的实践阶段，通过实验过程的操作和知识体系的实践，使学生掌握提出问题和解决问题的新方法、新思路，同时提升学生动手操作能力和合作团队精神，培养学生科研思想和创新思维，为以后生涯奠基良好的基础。

3.3 实验后的总结

在实验结束，学会使用化学软件处理数据和说明问题，掌握科技论文的写作方法和技巧。用化学软件绘制相应的图表，并对图表进行相应的分析和讨论，得出与实验相结合有意义的结论，根据实验结论，科学规范地书写科研论文以及科研项目书。在实验后的总结阶段可以锻炼学生的文字写作能力和归纳总结能力，使学生放开视野掌握了解世界前沿发展和各国的科技综合实力，使学生有使命感和担当责任感。

4 结语

新工科背景下工科专业的发展和改革是各高校发展重要目标，同时国家提出“双碳”目标，结合世界各个国家的能源危机和环境污染问题。科教融合也是双一流高校建设的途径之一，把丰富的科研优质资源转化成工业也是人才培养的选择之一。本实验将g-C3N4的制备及光催化分解水制氢的研究成果引入到能源化工专业的本科教学中，体现了科研和教学相互支撑，同时使学生学到的理论知识和应用实践相结合。在实验不同的阶段，使学生掌握分析问题、解决问题的能力和方法，培养学生的科研思维和创新思维，了解不同国家的科研综合能力，使当代大学生具有责任感和使命感。