菱面体形CeO2的制备及其光催化性能综合实验设计

陈欢欢，汪应玲，孙桂芳，朱彦荣，罗绍华

（1.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，河北秦皇岛 066004；2.东北大学材料科学与工程学院，沈阳 110819）

0 引言

化学实验教学是材料科学与工程专业实践教学体系的基础和核心，在学生创新能力和综合素质培养过程中处于重要地位［1-2］。在创新型人才培养的背景下，建立一种以学生为主导，综合且开放的实验教学模式，是当今实验课程改革的热点问题［3］，因此，设计综合性实验项目符合创新性人才培养的要求，也是本科教学改革的重要方法［3-5］。

当前，水体污染已成为我国环境治理和控制的焦点问题［6］。传统的水处理技术存在处理周期长、成本高、反应不彻底、容易造成二次污染等缺点。光催化技术因具有温和的反应条件且能够直接利用太阳能将各种水体污染物进行高效无害化处理的特点，已成为治理水体污染的重要手段［7-8］。稀土氧化物CeO2具有n型半导体的性质，由于其具有优异的氧化还原能力、氧的释放和吸收能力，已成为人们广泛研究的一系列光催化材料［9］。为了让学生们深入了解光催化剂的制备方法，掌握光催化剂的表征方法，熟悉光催化降解技术，本文设计了菱面体形CeO2催化剂制备及光催化性能的综合实验。该实验包括样品的制备、表征、性能测试等过程，模拟完整的科研实验流程。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

仪器：微波反应器，台式高速离心机，电热恒温鼓风干燥箱，马弗炉，电子天平，电子pH计，X射线衍射仪，场发射扫描电子显微镜，傅里叶变换红外光谱仪，紫外-可见分光光度计。

试剂：硝酸铈，聚乙二醇6000，尿素等均为分析纯试剂。

1.2 菱面体形CeO2粒子制备

通过设计正交试验制备CeO2粒子。具体步骤：将一定量的硝酸铈、聚乙二醇6000和尿素溶解在100 mL去离子水中搅拌至完全溶解。之后，将其转移到250 mL烧瓶中进行微波回流反应。微波处理一定时间后，反应生成大量沉淀。离心收集产品，在60℃烘箱中烘12 h。最后，利用马弗炉在500℃下煅烧2 h，得到CeO2样品。图1为微波回流合成实验示意图。

图1 微波法合成CeO2示意图

1.3 光催化性能测试

在紫外光照射下，通过考察不同条件下制备的CeO2粒子对苯酚溶液的降解能力来评价样品的光催化性能。具体操作过程如下：以500 W汞灯为光源。量取5 mg／L的苯酚溶液300 mL，加入150 mg的光催化剂。照射前，将悬浮液在黑暗环境中磁力搅拌30 min，以保证吸附-脱附平衡。开始照射后，每小时取样4 mL，离心除去光催化剂。随后，在270 nm处测定溶液吸光度。降解率的计算公式为

其中：A0为初始浓度时苯酚溶液的吸光度；At为光照时间为t时苯酚溶液的吸光度。

2 综合实验方案设计

该综合实验流程图如图2所示，具体包括如下几部分，①实验方法的设计，在该环节由老师布置实验题目，学生通过文献查阅确定具体实验方法，正交试验的影响因素及水平；②对样品进行结构、组成、形貌等表征工作，该环节引入大型仪器设备的测试项目，以开阔学生的视野；③样品应用性能的测试，将所制备的催化剂用于光催化降解水体污染物，实现学以致用。

图2 综合实验流程图

2.1 正交试验设计

表1是根据文献资料确定的因素水平表。根据确定的正交实验表将全班分成9组，分组进行不同因素不同水平下的合成实验［10］。这样每个小组的实验条件都不同，得到的二氧化铈的形貌，颗粒大小，催化性能均不相同。这避免了以往合成实验中全班同学用同一实验方法、同一实验条件、共做一个实验的现象，极大地提高了学生的实验兴趣和参与实验的积极性。

表1 正交试验因素水平表

2.2 正交试验结果分析

9组学生依据表1中的因素和水平条件，得到的正交试验结果如表2所示。根据分析正交试验表可知，对于二氧化铈降解苯酚的性能，合成条件中影响因素的大小顺序为：反应时间B＞PEG加入量D＞硝酸铈与尿素比C＞功率A，最佳工艺条件为A2B1C1D3，即反应时间为50 min，PEG的加入量为6 g，硝酸铈与尿素的摩尔比为1∶6，微波辐射功率为400 W时，合成样品的催化性能最佳。

表2 正交试验结果分析

2.3 样品的表征及性能测试

利用XRD对制备的CeO2粒子进行物相分析，如图3（a）所示。从图中可以观察到尖锐的衍射峰，说明得到的二氧化铈粒子具有较好的结晶性［11］。二氧化铈的衍射峰出现在28.5°，33.1°，47.5°和56.4°。

利用红外光谱仪测试了CeO2粒子的红外吸收光谱图，如图3（b）所示。图谱中位于524 cm－1处的吸收峰为Ce—O键的伸缩振动峰［13］，这与文献中的位置一致。位于2 357 cm－1处的吸收峰，可以归属为空气中CO2的C＝O伸缩振动峰［14］。位于3 452、1 630 cm－1处的吸收峰，是样品吸附的水分子造成的［15］。

图3 CeO2粒子的XRD图（a）及IR光谱图（b）

图4（a）、（b）是前驱体及煅烧后样品的SEM 图片。可以看到，CeO2粒子的形貌为菱面体形。前驱体粒子的尺寸较大，经过500℃煅烧后，粒子尺寸明显变小但形貌基本保持不变。图4（c）～（e）是样品的元素面扫描图和EDS能谱图，说明制备的样品是由Ce、O两种元素组成的，这与XRD的结果一致。

图4 样品前驱体的SEM图（a）、煅烧后样品SEM图（b）及元素面扫描图和EDS能谱图（c）～（e）

在样品光催化性能的测试中，选择模拟苯酚废水的降解过程，将样品的性能测试与水污染治理这一实际应用课题结合起来。每个小组分别测试自己合成样品的光催化性能，将所得数据进行绘图分析。图5（a）、（b）是第4组样品降解过程中苯酚溶液的紫外吸收光谱图和不同组样品降解苯酚溶液性能的汇总图。从图中可以看到，第4组样品的降解性能最好，其紫外吸收光谱图中吸光度随着光照时间的增加而降低。

图5 苯酚溶液随时间变化的紫外吸收光谱图（a）及不同CeO2样品对苯酚溶液的降解率（b）

3 结语

以综合型化学实验课程为载体，通过实验方法的设计，研究化学物质的结构、组成、性能及应用，依托学院现有实验室资源并融合了科技前沿知识，设计出了具有一定拓展内容的新实验。学生通过“文献查阅－方案制定－方案实施－样品表征－性能测试－结果分析－论文撰写”完成整个探究式实验过程。在性能测试环节将水污染治理这一实际应用引入到实验中，有助于提高激发学生探索的热情。实验过程以学生为中心，对于培养学生的学习主动性，锻炼科研思维以及综合实践能力具有积极地促进作用。

·名人名言·

我的人生哲学是工作，我要揭示大自然的奥秘，并以此为人类服务。我们在世的短暂的一生中，我不知道还有什么比这种服务更好的了。

——爱迪生