新能源环境友好材料制备及性能表征实验教学探索

吴 音， 刘蓉翾

(清华大学 材料学院，北京 100084)

0 引 言

进入21世纪以来，能源问题和环境问题已经成为全球焦点问题。随着世界经济发展，能源消耗急剧增加，可开采的常规能源越来越少，这不仅开始限制全球经济发展，也严重污染了人类赖以生存的环境[1-2]。矿物燃料的资源逐渐耗尽以及对环境的影响，促使人们寻找开发新的能源。当今新能源和环境友好等各种新材料已经成为科学研究前沿，培养相关专业学生是当今高等院校教学发展的重点[3-4]。在材料学专业开设新能源环境友好材料制备实验非常重要和必要[5-6]。为此，对在本科生中开设新能源和环境友好材料制备的实验课程进行了探索。尝试在新形势下培养学生探索和创新能力的实验教学内容，提升实验教学效果与质量。同时，希望通过这些实验,把科研工作的新进展、国际上相关研究的最新内容及时补充到教学实验中，使实验具有前沿性。

1 实验教学总体设计

尝试在本科生实验教学中开设新能源材料和环境友好材料制备及性能表征两个综合实验。实验采用综合实验模式：学生根据实验目标获取所需信息→设计实验方案→制备选定材料与样品→表征所制备材料的成分、结构、性能→综合整理所获得资料、撰写报告→口头报告所取得的成果并相互讨论[7]。

2 实验内容及过程

2.1 ZrO2 基固体电解质(YSZ)的制备

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、洁净的新能源技术，对能源的有效利用和全球环境的保护产生积极的影响[8]。其开发研究以及商业化，是解决目前世界能源短缺和环境污染的重要手段，受到了世界有关国家的普遍重视[9]。SOFC主要由电解质、阳极、阴极和连接体组成，其中电解质是核心部分，其性能的优良直接决定燃料电池的应用前景[10-11]。在SOFC系统中，电解质的主要功能在于传导氧离子。ZrO2基固体电解质是最早开发和使用的，是目前SOFC系统主要使用的电解质材料[12]。因此，选择制备ZrO2基固体电解质(YSZ)作为其中一个实验。

实验采用沉淀法和水热法等技术合成粉体，经过球磨、造粒、成型，烧结，制备出不同含量的Y2O3掺杂ZrO2陶瓷。利用XRD对制备的ZrO2陶瓷进行相分析；SEM观察其表面形貌；应用阻抗分析仪对样品进行电性能测试。绘出Cole-Cole图，拟和求出圆的直径得到电阻。通过该实验，使学生了解ZrO2基固体电解质导电原理；掌握ZrO2基固体电解质(YSZ)的制备工艺；熟悉Y2O3不同含量掺杂对氧化锆离子导电性的影响；掌握利用交流复阻抗技术研究多晶材料离子电导行为。

2.2 溶胶-凝胶法制备TiO2 薄膜

另外一个实验选择了溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜。TiO2薄膜具有优良的化学稳定性、超优的光电转化、光催化特性能和亲水性, 具有突出的与当前能源利用和环境保护有关的优异性能[13]。TiO2的光催化特性在废水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌自洁等环境污染治理中有着广泛的应用前景，成为一种大有前途的环境净化材料，是当今研究的热点[14-15]。

实验利用溶胶凝胶(sol-gel)方法，制备TiO2薄膜。通过改变制备工艺条件，如前躯体浓度、pH值、温度、涂覆层数、热处理制度等，制备锐钛矿结构的TiO2薄膜。利用XRD对制备的TiO2薄膜进行相分析；AFM观察TiO2薄膜表面形貌；SEM观察其断面形貌，薄膜的厚度；紫外可见光分光光度计测试TiO2薄膜吸收光谱。通过该实验使学生了解TiO2材料的基本结构、性能及制备方法，熟悉TiO2光催化特性环境保护的原理，掌握溶胶-凝胶法制备薄膜的基本原理和过程。

3 教学效果

(1) 大大提升学生的科研兴趣与科研能力。由于实验项目为目前新材料领域的研究热点，也是学院在研的科研项目，大大激发了学生实验积极性和兴趣, 相比以前被动地根据实验指导书按部就班地进行常规的验证性实验，现在实验更具挑战性，实验结果是未知的，实验方法和步骤也根据实验的情况随时进行调整，使学生在实验过程中更加主动地面对问题。此外，学生可以结合实验项目参与课题组的科研工作，参加课题组的学术讨论以及学院的学术讲座。有机会接触学院当前国际上最先进的各种仪器设备，如XRD、SEM、拉曼光谱、原子力显微镜AFM，薄膜透过率测定等。这不仅使学生了解无机材料先进的表征方法及物理性能测试方法，还为学生提供了以后在科研或是工作中可能遇到的问题感性认识，从而使丰富的科研资源转化为教学资源。通过实验启发学生积极创新的精神，培养学生的科研素质。同时，使学生有一种置身国家科技前沿的感觉，增加了学生投身科学研究的愿望。图1～3所示为学生对样品进行的一些测试结果。

图1 硅基片上生长TiO2薄膜的XRD图谱

图2 ZrO2(8Y)复阻抗谱图

图3 TiO2薄膜表面的原子力显微照片

(2) 实验体现高度综合性，并能和课堂所学的内容紧密结合。从开始实验到最后的数据处理和报告撰写涉及相关的多门课程知识，需要用到很多已学或正在学的知识，如在进行材料合成及实验结果表征测试时，与他们正在学习课程材料化学、XRD技术和材料物理性能等理论课相互映衬，使学生边学边用、学有所用，获得好的教学效果，从实际的角度上推动了学生在材料理论知识上的认可程度。综合实验除了实验内容的综合性以外，还体现在实验方法的多样性，学生尝试使用不同制备技术、测试表征技术和数据处理方法进行实验，通过本实验全面训练的过程中，除了巩固基本操作技术外，还培养了学生把所学理论知识和已掌握的实验基本技能运用到实践当中。对学生的知识、能力和素质的综合培养。

4 结 语

通过在本科生材料学专业开设能源环境友好材料制备及性能表征实验，可以使学生很好的了解新材料领域研究热点、研究方法和研究手段的不断发展和更新，掌握材料制备新技术新工艺，了解无机材料先进的表征方法及物理性能测试技术。另外，对培养学生理论联系实际，分析问题和解决问题的能力，以及在实验研究中严谨的科学态度、求实的作风以及大胆创新的精神起到积极的作用。在大三本科生开展实验1年来，得到了学生广泛的欢迎和认同，增进了他们对专业的热爱，总体取得较好的教学效果。学生普遍认为实验对他们以后的实验室历程非常有帮助。

参考文献(References)：

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