MXene融入化学教学的创新型人才培养研究

陈钰 赵娣 刘洪燕 段耀廷 白月 卢艳红

【摘   要】   MXene是由Gogotsi教授及Barsoum教授课题组在2011年首次获得的新型二维材料，它在储能器件、电化学、光化学及催化等领域中的应用引起研究者们的广泛关注，与大学化学课程具有高度相关性。将MXene最新的研究方法和成果融入到大学化学教学中，在加强无机化学、有机化学、分析化学、物理化学及环境化学等大学化学基础课程建设的基础上，培养学生的创新思维和能力，促进创新型人才的培养，为世界一流大学和一流学科的发展提供新的思路。

【关键词】   化学教学;二维材料;创新型人才;MXene

Research on the Cultivation of Innovative Talents by Integrating

MXene into Chemistry Teaching

Chen Yu， Zhao Di， Liu Hongyan， Duan Yaoting， Bai Yue， Lu Yanhong*

（Langfang Normal University， Langfang 065000， China）

【Abstract】    MXene is a new two-dimensional material discovered by Professor Gogotsi's research group in 2011. It has attracted significant attention in the fields of energy， electrochemistry， photochemistry， and catalysis， and is highly relevant to university chemistry knowledge. The cultivation of innovative talents with MXene integrated into chemistry teaching is conducive to the construction of disciplines such as organic chemistry， analytical chemistry， physical chemistry， inorganic chemistry， and polymer chemistry. Integration of the latest scientific research of MXene into chemistry teaching can promote the cultivation of innovative talents and provide a new model for the development of double first-class universities and double first-class disciplines.

【Key words】     chemistry teaching; two-dimensional materials; innovative talents; MXene

〔中圖分类号〕  G642             〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）01- 0040 - 06

0     引言

MXene是由美国德雷塞尔大学Gogotsi教授及Barsoum教授课题组在2011年发现的新型二维材料[1]，在储能器件、电化学、光化学、催化等领域引起了科研人员的广泛关注，与大学化学知识具有高度的相关性。MXene中的M代表过渡金属，X代表碳或氮[2]。MXene是二维材料的一种，其前驱体是MAX相。但是，人们曾认为MAX相邻层之间的共价键或金属键很强，因而不能形成MXene二维材料。Gogotsi教授及Barsoum教授课题组在一次偶然的实验中用氢氟酸溶液与Ti3AlC2混合，Ti3AlC2中的Al被氢氟酸溶液刻蚀后便首次得到Ti3C2型MXene二维材料[1]，之后通过改变前驱体使合成的新型MXene材料更加丰富。

MXene二维材料与化学教学的融合有利于大学创新型人才的培养，使学生学习到最前沿的创新知识、激发学生的创新意识和创新精神、提高学生的创新能力和创新素养、实现以改革创新为核心的时代精神、促进“双一流”的建设。同时，MXene二维材料与化学教学的融合也会推进以科技创新为核心的全面创新及实现创新引领发展的第一动力的重要作用。本文探讨MXene二维材料与化学教学融合的内容包括MXene与无机化学、有机化学、分析化学、物理化学及环境化学等化学课程的科教融合（图1）。

1     MXene融入无机化学教学

由于MXene是无机化合物，所以MXene的前沿科学研究和传统无机化学融合对培养创新型人才具有重要意义。由定义可知，MXene是金属碳化物或金属氮化物[3]。具体来说，MXene中的M代表前过渡金属，X代表碳或氮[3]。所以，传统无机化学教学中在讲解碳族物质和氮族物质时可以引入MXene作为扩充，增加碳族和氮族章节的创新性。按照MXene的定义，MXene的X元素只能是碳或氮元素[3]。不过，在无机化学教学中可以让学生去思考其它非金属元素（如硼、磷、硫）是否也有可能成为新型的X元素，以激发学生突破传统无机化学教学的固定思维和最新文献中的一般定论，为发现颠覆性的新型MXene物质提供理论准备。MXene刚被发现时也只有含碳元素这一种类[1]，氮元素型MXene也是后面在不断质疑和不断猜想中发现的。另外，由于MXene是前过渡金属化合物，所以MXene也是在讲解相关内容中拓展金属化合物的最好范例。同时，MXene中的前过渡金属这一概念可以用来让学生了解怎么区分前过渡金属和后过渡金属。不过，据我们所知，至今报道中MXene的M元素一般认为是ⅣB、ⅤB、ⅥB族元素[4]，部分文献已经拓展到其它元素[5]。用这样的思维和问题激发学生去猜想新型MXene中的M元素是培养学生创新意识和创新能力的良好方略。

2     MXene融入有机化学教学

由于MXene材料的高效催化作用，传统有机化学教材中卤代烷烃的亲核取代反应（图2a）可以创新性的拓展到二氧化碳（CO2）的甲酰化反应当中（图2b），为有机化学领域创新型人才的培养提供新思路。MXene材料催化转化CO2的甲酰化反应[7]能使学生充分了解MXene的结构、性质和最新应用在有机化学课程中的重要作用。同时，MXene融入CO2的甲酰化反应型亲核取代反应能增强大学生的创新性思维。CO2中的C也可以像卤代烷中的C一样作为核，CO2中氧原子也可以作为像卤代烷中的卤素原子一样作为离去基团[7]，但是常规思维中CO2中的氧原子一般被认为不易脱去。胺类衍生物可以作为亲核试剂[7]，但是有机化学教材中认为只有氨气才是优良的亲核试剂，这样亲核试剂便创新性的从氨气拓展到伯胺和仲胺。更为重要的是传统有机化学教材认为亲核基团的供电性越强，亲核取代反应的效率更高[6]。但是，MXene催化转化CO2的甲酰化反应并非完全如此：仲胺和脂肪胺等亲核试剂的供电性最强，亲核取代反应的产率最高（接近100%），芳香胺苯环上取代供电子基团却并没有促进产物产率的提高反而使产率降低（图2c）[7]，从而有利于促进学生去探索影响亲核取代反应除亲核试剂亲核性以外的因素，如双分子反应SN2机理的位阻效应。SN2机理的位阻效应认为位阻效应越小（如苯胺）亲核取代反应效率越高[6]。

3     MXene融入分析化学教学

MXene在传统分析化学领域有着广泛的应用，如红外光谱、紫外光谱（图3）。传统分析化学教学一般着重强调静态的红外光谱，对动态在线红外光谱的探讨很少，也很难有实例让学生们进行深刻的理解。MXene光催化转化CO2的动态过程和具体机理可以通过原位动态红外得以清楚的阐释[8]。通过在线原位红外光谱，在可见光照射的条件下可以清楚地检测到甲酸、甲酸根离子、甲酸自由基等中间产物，这些中间产物是产生一氧化碳的关键中间产物[8]。这样便从科学上揭示了MXene催化转化CO2生成CO的微观机制。另外，传统分析化学教材中介绍的紫外-可见光谱的适用对象是极稀的溶液。通过MXene的固体反射紫外表征，一方面可以让学生掌握固体材料的吸收边带和光吸收带隙的方法[8]，另一方面可以让学生跳出测量溶液的紫外-可见光谱的思维定势。更为重要的是，可以让学生创造性地思考气态、超临界等极端状态物质的紫外测量方略，为将来颠覆性地研发新型仪器设备点燃创新的火种。

MXene在现代分析化学领域应用更加广泛，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱（图3）。与以化学作用、光能或电能直接作为激发源不同，扫描电子显微镜和透射电子显微镜以电子为激发源;X射线衍射和X射线光电子能谱以X射线为激发源。由于电子和X射线具有高能量，所以能够穿透MXene一定的距离探测到MXene表面的信息。具体来说，通过扫描电子显微镜可以看见MXene的形貌;透射电子显微镜的电子能量比扫描电子显微镜更高，能够看清MXene更加細微的结构（比如晶格）[8]。X射线光电子能谱主要通过X射线激发外层电子或价电子以用于MXene材料表面的元素定性、元素价态分析及元素半定量。X射线衍射主要通过相干散射和布拉格公式探测MXene材料的晶面间距、粒子大小、晶体结构等信息。以MXene为例子讲述现代分析化学的前沿应用能促进科教融合，增强学生的创新能力。

4     MXene融入物理化学教学

MXene二维材料的前沿科学研究也可以深入融合到物理化学教学当中，以促进创新型人才的培养。热力学、动力学、电化学、胶体界面是物理化学教学的主要内容[9-10]。其中热力学第二定律是热力学部分的重点知识，主要解决反应变化方向和进行程度等问题[9-10]。勒夏特列原理、克劳修斯说法、开尔文说法等定性描述虽然对理解热力学第二定律有一定的作用，但是缺乏定量关系。卡诺定理、克劳修斯不等式、熵判据、亥姆霍兹判据虽然能从定量角度解决热力学第二定律的方向和限度问题，但是，吉布斯判据的使用范围更大（图4a）。这是因为吉布斯判据适用的必须条件是等温等压，与日常发生化学反应的条件最为接近。不过，物理化学教材上吉布斯判据的例子均比较陈旧，如水的相变、氨气的合成、碘的升华、石膏的脱水反应、金刚石和石墨晶体的转化。如果在热力学第二定律吉布斯判据的使用范例中加入最前沿的科学研究成果，那么将会增加学生的学习热情和创新欲望。

MXene与CO2及水的吉布斯自由能变的数值符号及大小能说明相互作用力大小（图4b）[4]。先以Mo3C2型MXene为例子予以说明：Mo3C2型MXene与CO2及水的吉布斯自由能变的符号均为负值（分别为-0.86 eV和-0.07 eV），根据热力学第二定律的吉布斯判据可知Mo3C2型MXene与CO2及水的反应方向是趋向于正向发生的[4]。但是，Mo3C2型MXene与CO2相互作用的吉布斯自由能变比与水相互作用的吉布斯自由能变要小的多，这意味着CO2比水更加容易吸附在Mo3C2型MXene上面。以MXene为催化剂，在电催化CO2反应中，CO2还原生成目标产物（如甲烷）的反应比水还原生成氢气的副反应更加容易发生，即法拉第效率和选择性更大[4]。Cr3C2型MXene也有相似的结论（图4b）[4]。学生在物理化学知识学习的过程中便能更加深刻地体会到物理化学理论知识在MXene前沿科学研究中的重要性，通过设计新型的MXene，使其与CO2反应的吉布斯自由能作用能变更负，与水的吉布斯自由能作用能变为接近零甚至为零，则能获得更高的法拉第效率和选择性。这样，对基于MXene的新型电催化还原CO2催化剂的设计是一个重大的创新。

5      MXene融入环境化学教学

MXene融入挥发性有机物（VOCs）的治理对大学生利用环境化学知识理解中国最新的大气污染治理具有重要意义，能让大学生聚焦现实最重要的问题来发挥创新力。大气污染物的主要成分有PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO。最近几年大气污染物的各项指标呈下降态势，但是大气中臭氧的浓度居高不下，甚至呈一定的上升趋势。挥发性有机物（如HCHO、CH3COCH3）是引起臭氧浓度上升的重要原因之一。最新研究表明MXene与钨酸铋的复合材料对甲醛和丙酮具有很大的吸收量，而且能在可见光条件下高效的降解甲醛和丙酮[11]。近年来，世界极端气候越来越多，冰川融化越来越严重，这与温室气体（如CO2）引起的气温升高有一定的关联。MXene捕集和转化温室气体CO2[7， 12]既能让学生深刻地理解环境化学的知识，又能激发学生提出创新性方法去解决实际问题的兴趣。（图5）

MXene融入环境化学教学中的废水处理也具有重要意义。Pb2+、Cd2+等是河北雄安新区白洋淀水域中的重要污染重金属离子[13-15]。传统重金属离子的活性炭型吸附剂虽然表面积比MXene高约50倍，但是吸附效果却比MXene低许多[16]。最新研究表明，MXene由于其表面拥有大量的负电荷基团，对废水中重金属离子具有较大的吸附量[16-17]。这对大学生用环境化学知识服务美丽雄安的建设提供新型解决思路。核能是清洁、高效且环保的新能源，核废料是核能发展中的不可避免的排放物。与MXene吸收重金属离子相似，MXene表面含有的丰富的负电荷使得其对核废料（如铯离子Cs+、铕离子Eu3+）也具有较高的吸附量[18-19]。有机染料也是工业和生活废水中常见的成分，MXene和铁酸铋的复合型材料能在可见光条件下高效的把刚果红（Congo Red）催化降解[20]。这对光化学方法治理废水污染物的方法提供新思路，有利于激发大学生寻找更加高效的新型MXene型光催化剂。

6     总结

MXene与大学化学教学具有高度的相关性，MXene与化学教学的科教融合模式有利于提高大学生在无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和环境化学等具体学科的创新思维和创新能力，进而培养其专业综合能力、自我学习能力、勇于探索的创造力。MXene的最新科学研究与化学教学的科教融合能促进创新型人才的培养，为世界一流大学的建设和一流学科的发展提供新思路。

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