面向培养科学素养的创新实验设计与实践

李兵,刘龙辉,李子涵,廖亚婷,张永兴,刘亲壮

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

材料是人类社会发展的基石,随着科学技术的发展,“新材料”不断涌现,人类已经进入蓬勃发展的高技术时代[1].技术竞争的核心在于材料的创新,培养高素质的材料类科技人才是高等教育内涵式发展的重要一环[2-3].材料类专业本科教育旨在培养厚基础、宽口径、强能力、高素质的创新人才[4].该类专业所涉及课程的特点是交叉性强,知识面广,富有实践性,在实际教学中容易出现顾此失彼的现象,而培养学生的基本科学素养是贯穿整个教育过程的关键,也是学生后续深造的重要保障.实践证明,开展创新实验和开放实验是提高学生科学素养,培养创新型人才的有效手段,打破了原有传统认知性和验证性实验教学的弊端[5-7].

淮北师范大学材料类共有材料物理和材料科学与工程两个本科专业.多年来,在大三学生中积极开展创新实验取得了良好的效果.在实际操作中,利用学校科研平台和专业实验室,学生在兴趣爱好基础上,以3-5人为一组,由指导教师指定或者学生自主选题开展创新实验.相较于形式单一、缺乏创造性的传统实验教学模式,创新性实验教学模式更有利于调动学生的积极性,真正做到了以学生为中心,充分发挥了学生的主观能动性.指导教师仅从专业角度对整个实验过程进行宏观指导并解答学生遇到的问题,给出合理的建议.在这一教学过程中,学生根据选题,进行相关的文献调研,了解相关的背景知识,而后制定详细的实施方案并开展相关实验和测试,最后给出科研报告.这种新型创新实验模式既能有效利用学生的课余时间,又给了学生自我发挥的独立空间,提高了学生的科研兴趣和科学素养.下面以水热法合成 Co-Ni LDH并对其电催化产氧性能进行研究为例说明具体过程.

1 教学要求

指导教师根据学生的选题制定具体的教学要求.在实验执行过程中,指导教师应以引导为主,仅给予必要的答疑和指导,尽量发挥学生的主观能动性.本实验设计的具体要求如下:

(1)了解背景知识.学生通过网络和图书馆查阅相关专业书籍,了解当今社会面临的问题,熟悉解决能源危机的方法以及面临的挑战.

(2)学会文献调研.阅读文献是科研的重要组成部分,通过文献,学生能快速掌握相关领域的前沿.在本实验中,学生需要掌握常见中英文数据库的使用方法,调研LDH材料的晶体结构和常见制备表征方法,掌握电解水的基础知识,并学会对其电催化性能进行测试的方法.

(3)讨论并制定详细的实验方案.在文献调研的基础上,组内学生通过讨论,从样品的制备、测试表征、结果分析及性能评价，到科研报告的撰写以及实验反思等给出具体的方案,并上报指导教师审批.

(4)掌握仪器设备的使用方法和性能测试方法.对本实验所需的仪器设备包括X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站、烘箱、离心机以及真空干燥箱等,要求学生在实验中严格遵守操作规范，注意防范可能发生的危险情况.

(5)学会数据分析.学生应学会使用对所得数据进行分析处理的常见软件,能够通过数据的分析综合评定样品电解水性能的优劣,并与文献结果进行比对,改进实验方案.

(6)撰写科研报告.学生以论文的形式提交科研报告,着重培养学生书面表达的严谨性、格式的规范性,熟悉科研报告的撰写流程.

(7)实验反思.学生对实验过程中遇到的问题进行反思,给出合理的建议.

2 教学过程

2.1 设计背景

随着传统化石燃料的大量消耗,环境问题日益突出,已经严重影响到人们的生产和生活[8-9].人们每年花在环境污染问题上的金钱无法估量,以牺牲生态环境为成本提高国家生产力不是长久之计.在哥本哈根气候大会上,各个国家相继意识到必须要节约地球中的现存资源,提高资源利用率,努力寻找可再生的清洁能源来缓解当前的能源危机.氢能因其高燃值、环保等独特的优点吸引了科研工作者的广泛关注[10-11].在众多制氢方法中,电解水制氢具有无污染、低耗能的特点,是当前最有前景的手段之一[12].传统电解水所用催化剂为贵金属的氧化物，如IrO2,RuO2等，但其高昂的价格和低储量极大限制了大规模应用[13].经过不断探索,科学家们发现过渡族金属元素由于具有空的d轨道而呈现一系列特殊的性质,在电解水中有着出色的表现,可以媲美传统贵金属催化剂[14].由Ni、Co等元素组成的层状氢氧化物,因其独特的层状结构,引起了广泛研究,具有极大的应用前景[15-16].

2.2 实验方案

2.2.1 实验试剂

六水氯化镍(NiCl2·6H2O)、六水氯化钴(CoCl2·6H2O)、去离子水(DI water)、尿素(urea)等.

2.2.2 表征方法

SEM观察样品的微观形貌,能谱仪(EDS)观察元素组成,XRD确定晶体结构和物相,电化学工作站对样品的OER性能进行测试.

2.2.3 样品的制备

海胆状Ni-Co LDH电催化材料的制备过程主要包括以下步骤:准确称量1.19 g六水氯化钴和0.59 g六水氯化镍以及0.5 g尿素,将其放到反应釜内胆中,然后用量筒量取50 mL的去离子水置于内胆中;室温下用磁力搅拌器搅拌30 min直至药品完全溶解,然后转移到高压反应釜(规格为80 mL)中,在120 ℃的恒温条件下充分反应12 h后取出；倒去上清液,把沉淀转移至离心管内,用去离子水和乙醇清洗多次后高速离心,然后干燥即可.

2.2.4 电催化性能测试

电化学性能测试是在配备三电极体系的上海辰华电化学工作站(CHI 760E)上进行的.实验中,Pt片电极作为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,负载Co-Ni LDH的泡沫镍作为工作电极,测试过程所用电解液为1.0 mol/L的KOH溶液.电化学测试工作电极的制备方法如下:首先对泡沫镍进行预处理,把泡沫镍裁剪尺寸为1 cm×2 cm大小后放入3 M稀盐酸中浸泡1 h,然后将泡沫镍取出置入去离子水和无水乙醇中分别超声5 min,取出自然晾干待用;称量2 mg样品,85 μL去离子水、60 μL无水乙醇和5 μL Nafion溶液混合,超声30 min使其分散均匀,而后使用移液枪取出经超声处理的混合液均匀涂在预处理好的泡沫镍上(涂抹面积为1 cm×1 cm),然后置于真空干燥箱中干燥后即可取出进行测试.测试内容主要包括循环伏安测试(CV),测试电势范围为0-0.1V (vs.Ag/AgCl),扫描速度为5,10,20,50,80,100 mV·s-1;线性扫描伏安法(LSV)测试,电势范围为0-0.8 V (vs.Ag/AgCl),扫描速度为5 mV·s-1;交流阻抗(EIS)施加电压为0.5V,频率为105-0.01 Hz;电化学稳定性用CV曲线循环前后LSV曲线对比图来表征.

2.3 结果与讨论

层状双氢氧化物具有类水滑石结构,主要是由带正电的主层板和层间阴离子通过非共价键的作用相互组装而成,如图1所示.这种结构具有很多优点,层间距和主层板的化学组成可调,层间阴离子的种类和数量可以变换,这种结构可以有效提高材料的比表面积,增加催化剂与电解液的接触面积,而层间可以作为离子的导电通道,因此该材料在电解水领域有着天然的优势.

图2 (a)-(d)所示为Ni-Co LDH的SEM图片.从图2中可以看出,样品呈现海胆状形貌,尺寸大约为4μm,大小分布较为均匀且分散性较好.这种特殊的形貌使其具备较大的比表面积，在电催化过程中能够充分和电解液接触从而促进OER反应的进行.

图1 LDH晶体结构示意图

图2 (a)-(d)不同放大倍数下Ni-Co LDH的SEM图像

图3 (a)样品的LSV曲线和(b)Tafel曲线

在标准三电极系统下对Ni-Co LDH样品进行电化学OER性能测试,电解液为1 mol/L的KOH溶液.作为对比,我们同样给出了空白泡沫镍(NF)的电化学曲线.图3(a)为Co-Ni LDH样品的线性扫描伏安曲线图，在电流密度为10 mA·cm-2时,其OER过电位仅为230 mV.这个过电位数据足以媲美传统贵金属催化剂,表明海胆状Ni-Co LDH具有较好的电催化OER活性.这种特殊的海胆状形貌可以促进催化剂和电解液的接触,又能有效阻止颗粒的团聚.图3(b)给出了样品的塔菲尔斜率,塔菲尔斜率也是表征电催化活性的重要指标,一般来说,塔菲尔斜率是通过LSV曲线转化而来,其斜率越小,说明增加相同的的电流密度所需的过电位越小,越有利于催化反应的进行.如图3(b)所示,我们制备的样品塔菲尔斜率为96.4 mV·dec-1.

图4 (a)样品的阻抗谱和(b)循环前后LSV曲线

电化学阻抗也是表征催化剂电催化活性的重要指标,我们对Ni-Co LDH样品进行了阻抗谱(EIS)测试,如图4(a)所示.在图4的前半部分,半圆的半径代表着催化剂电子转移电阻的大小,圆弧半径越小代表催化过程中样品阻抗越小,越有利于反应的进行.在图中明显可以看出,Ni-Co LDH阻抗比空白泡沫镍的小,表明负载样品后,催化活性得到了极大提高.稳定性也是优秀催化剂应该具备的一个必要条件,这能保障其在催化反应中较好的长时间发挥作用.为了验证Ni-Co LDH的稳定性,我们测量了2000次循环伏安测试后样品的LSV曲线.结果表明,样品催化活性只有轻微下降,仍然保持了较好的电催化性能,稳定性较好.

3 结 语

创新实验克服了以认知性和验证性为主的原有传统实验的弊端,充分发挥了学生的主动性和能动性,实现了教育的个性化定制.通过创新实验的实施,学生从文献调研、方案制定、样品制备、测试表征,到数据分析和科研报告撰写等方面得到了全方位的训练,深化了学生对电解水这一领域专业知识的认知,并且对科学研究的过程有了直接的了解,极大地提高了学生自主学习和自主创新能力,有效培养了学生的基本科学素养.