面向地学类专业的大学化学实验教学创新研究

＊吴艳 李勇 廖桂英

（中国地质大学（武汉）材料与化学学院 湖北 430078）

引言

大学化学实验是理工科专业的重要基础课程，在巩固大学化学理论知识、如何结合专业特色，训练大学生基本实验操作技能和培养科学思维创新能力等方面具有关键作用[1-3]。大学化学综合实验教学课程，对“教”与“学”均有重要意义。因此，如何有效结合专业特色开展基础化学实验课，一直是化学实验教学中重点关注的课题[4-5]。

中国地质大学（武汉）拥有国家一级重点学科地质学，国家二级重点学科古生物学与地层学、矿物学岩石学矿床学、地球化学、构造地质学、第四纪地质学。到目前为止已有70余年的发展历史，具有完备的学科体系。在学科建设中，学校以地球科学学科为中心，将数学、化学等相关学科与其进行关联，以优势学科推动学科群建设，在地质学、地球化学、矿床学、石油地质学、矿产勘查与评价、页岩气和页岩油理论与勘查评价、数学地质与资源定量预测等方向具有优势与特色。这些学科有一个共同的特点，理论紧密与实践结合，理论通过实践予以验证。

地质学专业基础化学实验课程，通常在大学第1～2学年开设。以此同时，在这个阶段，大学生已经学习了普通物理、电子技术基础、数学物理方法等基础课程，具备较好的理论基础，对高等数学、误差分析等理论工具也有了系统认知[6]。大学化学实验教学的改革探索，主要体现在优势学科特色及科研成果的层层递进，将科研热点和前沿问题与大学化学实验教学有机结合，开展科研式的大学化学实验教学，教学过程既包括对科研热点的实验验证，也包括实验后的报告，其目的是让大学生掌握大学化学基础知识的同时，调动学生对地学的科研兴趣，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力[7-9]。

本实验以凹凸棒复合纳米矿物材料光催化降解为例，引导大学生了解矿物结构在化学动力学中的影响。凹凸棒石的结构[9-10]如图1所示。

图1 凹凸棒石的结构示意图

天然纳米矿物材料，因其特殊的孔状结构而具有较大的比表面积、稳定的化学性质、较强的吸附性能等特点，可作为纳米半导体材料的理想固定载体，不但可以将纳米半导体颗粒固定负载在其表面或孔道内的凹槽中，解决了半导体材料团聚的问题，还可以利用纳米矿物材料较强的吸附性能，将溶液中的有机污染物定向富集，有效的增加了有机污染物与半导体催化剂的接触面积。中国地质大学（武汉）面向地学类专业的大学化学实验，一方面能与矿物结合，另一方面体现化学反应的催化剂探究，因此，在大学化学实验课中，结合地学类专业，有针对性地进行实验内容的设计，具有现实价值。

大学化学实验课程教学中，立足学校的学科特色和人才培养目标，其综合实验突显实用性、交叉性和创新性，引入天然矿物材料的优势，并制备了一系列不同复合比例的氧化锌复合凹凸棒（ATP）复合材料，通过光催化降解亚甲基来分析凹凸棒对纳米氧化锌的影响，设计了纳米氧化锌负载在多孔的凹凸棒的创新实验教学。本文旨在介绍一个全新的教学实验，旨在激发大学生的学习创造性。

1.实验目的

（1）通过凹凸棒的提纯，了解天然矿物的提纯和分离方法；

（2）了解凹凸棒的功能应用；

（3）了解掌握沉淀反应基本方法；

（4）了解紫外-可见分光光度计工作原理及相关结果分析方法；

（5）培养学生对地学专业知识、化学基础知识和实验能力的整体认知及相应思维能力和创新意识。

2.实验原理

本实验采用分光光度计对合成的不同比例的ZnO/ATP进行掺杂改性后的复合材料进行光催化实验。首先用紫外-可见分光光度计，测定亚甲基蓝溶液在200～700nm范围下光的吸收光谱，再通过吸收光谱找到亚甲基蓝的最大吸收波长。本实验测得的亚甲基蓝溶液的最大吸收波长为665nm。亚甲基蓝溶液在最大吸收波长处的吸光度与其浓度的关系符合朗伯比尔定律，朗伯-比尔定律的表达式由式（1）所示。

式中：A—吸光度；

T—透射比，是透射光强度比上入射光强度；

K—摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

b—吸收层厚度；

c—吸光物质的浓度。

通过测定亚甲基蓝溶液在不同光催化反应时间内最大吸收波长处的吸光度的值，可以计算不同时间内溶液的降解率，溶液的降解率可以用式（2）来计算。

式中：A0—亚甲基蓝的初始吸光度；

A—t时刻亚甲基蓝的吸光度。

通过亚甲基蓝不同时间内的降解曲线，可以展现出催化剂对亚甲基蓝的降解性能。

3.仪器与试剂

仪器：紫外可见分光光度计、DF-101S型电热恒温水浴锅、恒温磁力搅拌器、型离心机、马弗炉、电热恒温干燥箱。

矿样及试剂：凹凸棒石、二水合乙酸锌、氢氧化钠、无水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、亚甲基蓝、尿素。所有的试剂均为化学纯。

4.实验内容

(1)凹凸棒石前处理

称取一定量的200目筛的凹凸棒粉末于200mL的烧杯中，加适量的去离子水制成质量分数为5%的矿浆，在搅拌的情况下向浆液中慢慢滴加NaOH溶液，直至浆液的pH=10，继续搅拌1h，然后离心烘干，即得到前处理过的凹凸棒粉末。

(2)ZnO/ATP光催化剂的制备

称取1.6463g的Zn(CH3COO)2·2H2O于A烧杯中，向烧杯中加入150mL的无水乙醇，在80℃的水浴中，使得Zn(CH3COO)2·2H2O完全溶解在醇溶液中，得到0.05mol/L的A溶液，冷却至室温，待用。再称取1.20g的氢氧化钠于B烧杯中，同样加入150mL无水乙醇，常温下在超声清洗器中超声使其溶解并分散均匀，得到B溶液。

向A溶液中加入与二水合乙酸锌相同质量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP），在磁力搅拌器上以900r/min的转速搅拌20min，期间向其中加入不同质量的凹凸棒粉末（5%，0.03213g；10%，0.06782g；15%，0.1077g；20%，0.1526g；30%，0.2616g；40%，0.4069g），反应得到C溶液。

将B溶液移入分液漏斗中，控制其滴落速度，使其一滴一滴地加入到处于搅拌状态的C溶液中，在1100r/min的转速下搅拌30min，静置1h。之后转移到离心管，离心得到沉淀，用去离子水洗涤两次，再次离心，分离沉淀。将沉淀洗涤干燥，在马弗炉中以10℃/min升温至500℃，煅烧30min。研磨即可得到不同质量比的ZnO/ATP复合样品。

(3)光催化性能测试

取0.05g实验制备的光催化材料于200mL烧杯中,加入150mL浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液，向溶液中加入电动磁子，在搅拌的情况下进行模拟日光光照。首先在不开灯的情况下，搅拌30min，做暗反应实验。然后开启光源，分别在光照时间5min、10min、15min、30min、40min时取出一定量样品，离心处理，取上清液。使用紫外-可见分光光度计测定其在665nm处的吸光度，以分析计算其降解性能。

(4)结果分析

不同复合比例的ZnO/ATP复合材料对亚甲基蓝的降解实验测试。分析不同复合比例的样品在10min、20min、30min、45min时间内的光催化性能。比较纯ZnO，不同复合比例的样品，在以凹凸棒为载体复合之后，其光催化降解效果，并计算降解速率及分析催化机理。

从上述实验结果，分析理解凹凸棒ATP和ZnO在催化过程中的作用。ATP有利于亚甲基蓝有机污染物的吸附，ZnO吸收太阳光，产生光生电子和空穴，光生空穴具有较强的氧化能力，从而氧化分解有机污染物亚甲基蓝分子（图2所示）。

图2 ZnO/ATP降解机理图

5.结论

面向地学类专业大学生的大学化学实验中，设计天然矿物凹凸棒复合纳米ZnO材料光催化降解有机污染物实验。首先以天然矿物凹凸棒作为载体，制备了一系列不同复合比例的ZnO/ATP复合材料，并通过紫外可见分光光度计，对其进行表征，研究不同复合比例样品的光催化性能。负载ATP并没有改变ZnO的晶体结构，并在一定范围内，随着ATP含量的提升，材料的光催化性能逐渐提高，但同时其吸附性能也增强，当ATP含量增加大于30%时，材料的催化性能会因ZnO含量的减少而降低。负载ATP后，ZnO均匀的分散在矿物材料的表面，对其起到了固定作用，大大降低了ZnO的团聚作用，且ATP的较强吸附作用使得亚甲基蓝定向富集，提高了催化剂与亚甲基蓝分子的接触面积，材料的光催化性能与循环性能得到很大的提升。在该实验教学中，大学生对天然矿物凹凸棒及纳米ZnO的结构有了初步了解，掌握了湿化学方法制备复合纳米矿物材料和光降解性能测定方法，对于大学生后续开展地学类专业的科学研究和探索奠定拓展了视野、奠定了实验认知的基础。