朱銘錚

摘 要：高中化學(xué)是高中學(xué)科領(lǐng)域一門重要的課程，從其新課程標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)和要求來看，其核心是以學(xué)生為本，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和探究精神，全面提高學(xué)生的基本素質(zhì)。如何培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)核心素養(yǎng)已成為教師學(xué)者共同探究的問題。在新課程高中化學(xué)中，化學(xué)實驗是十分重要的教學(xué)內(nèi)容，闡述了通過實施開放式實驗室，教師引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻資料，學(xué)生自主申報實驗課題，開展合作探究的過程。旨在提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，提高學(xué)生探究化學(xué)本質(zhì)規(guī)律的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)、化學(xué)信息素養(yǎng)、合作能力，指導(dǎo)學(xué)生初步了解科學(xué)前沿，從更高的境界和視野上發(fā)展自我。

關(guān)鍵詞：新課程；實驗；鋰硫電池

一、聯(lián)系實際，發(fā)現(xiàn)問題

隨著社會的發(fā)展，能源消耗和環(huán)境問題向我們的社會提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此，發(fā)展具有高安全、高能量密度和高比容量的可充電鋰電池是現(xiàn)代社會發(fā)展的必要組成部分。用現(xiàn)實情境及問題來激活教材知識，并借此指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，了解有關(guān)科學(xué)前沿問題，并且聯(lián)系實際，自主提出申報課題，并積極了解問題的各個方面，從而培養(yǎng)其化學(xué)信息素養(yǎng)。

作為活性炭的主要原料，以木材和秸稈等為代表的生物質(zhì)材料是典型的可再生資源。以稻殼為例，全國每年可產(chǎn)生4000萬噸，資源相當(dāng)豐富。稻殼碳化后的產(chǎn)物中含有大量的二氧化硅（達30wt%），且多為納米級別，因此具有很高的電化學(xué)活性和吸附能力。有研究表明，在鋰硫電池正極材料中添加一定量的納米氧化物可以有效地提高硫的電化學(xué)活性，有利于提高其充放電可逆性。將高含硅量的稻殼加工成具有優(yōu)異電化學(xué)活性的鋰硫電池正極載體材料，無疑是一種變廢為寶、一舉兩得的方法?；诖耍菊n題擬以生物質(zhì)廢料為原料，開發(fā)具有一定二氧化硅含量的高比表面積稻殼活性炭，用于鋰硫二次電池正極的載體并優(yōu)化硫/碳復(fù)合電極的電化學(xué)性能，為低成本、高容量的鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持。

二、實驗探究，合作交流

化學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的主要手段，它是貫徹新課改思想，培養(yǎng)學(xué)生之間合作交流、科學(xué)觀察和科學(xué)思維能力的有效手段。在進行上述課題過程中，學(xué)生通過文獻數(shù)據(jù)與資料，交流確定進行實驗的材料及實驗過程。在實驗室中進行探究，課題的實驗過程如下：

（一）稻殼的碳化過程

稻殼碳經(jīng)過水洗，除去表面黏附物，在100℃烘箱中烘干。將其放入管式電阻爐中，通氬氣，以每分鐘升溫6℃的速率升至450℃，然后維持2小時后降溫。

（二）稻殼的活化過程

活化劑選用氫氧化鉀，氫氧化鉀與碳化產(chǎn)物的質(zhì)量比為3：1，加入10毫升水，攪拌充分溶解混勻后，在60℃烘箱中干燥。干燥后在450度預(yù)活化30分鐘，然后在700度活化1小時，升溫速率在6度每分鐘。自然冷卻至室溫，稀鹽酸洗滌至中性，干燥，得到稻殼活性炭載體。

（三）制備硫/碳復(fù)合材料，組裝鋰硫二次電池正極

制備硫/碳復(fù)合材料：將稻殼活性炭與升華硫以3：1混合，研磨30分鐘后均勻后置于反應(yīng)釜中，加熱至155℃保溫24小時，使硫充分滲入到稻殼活性炭的孔洞之中，從而獲得一定負(fù)載量的硫/碳復(fù)合材料。

電極制作：將稻殼炭材料、導(dǎo)電炭黑和聚偏氟乙烯（PVDF）黏結(jié)劑按質(zhì)量比7：2：1 混合，在N，N二甲基吡咯烷酮溶劑中攪拌成均勻的漿狀物，將其均勻地涂在鋁箔上，然后在60℃下真空干燥24 h。

組裝電池：在手套箱中進行電池組裝成鋰硫電池，并在電化學(xué)工作站進行性能測試。

三、分析數(shù)據(jù)，深入思考

學(xué)生通過化學(xué)概念原理和化學(xué)事實來對實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)進行分析、綜合、比較、歸納與概括，從而提高自身的化學(xué)邏輯思維能力。通過以上的實驗過程，可得到一系列的實驗數(shù)據(jù)與圖表，再對其進行分析：

（一）SEM表征

硫/碳復(fù)合材料的SEM圖表面看不出有很多孔，說明S很可能嵌入活性炭的孔里面了。

活性稻殼炭TEM的圖上有許多黑白的點，它們代表的是小孔。這說明活性稻殼炭表面有許多小孔。

（二）熱重分析

由圖2可知，升華硫在250攝氏度左右因加熱開始質(zhì)量減小，在350攝氏度失去全部質(zhì)量。而硫/碳復(fù)合材料也在250攝氏度左右開始質(zhì)量減小，但在600攝氏度左右質(zhì)量不再下降，此時剩余碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為32%。因此，我們得出硫/碳復(fù)合材料中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68%。

（三）稻殼炭的電化學(xué)性能表征

圖3是稻殼炭鋰硫電池在電流密度0.1C時，循環(huán)50次的充放電性能測試。該電池初始放電比容量為780mAh/g，循環(huán)50圈之后為250mAh/g，充放電的庫倫效率為95%左右。

為了鋰硫電池的碳材料開發(fā)，本課題選擇稻殼炭將其制成電化學(xué)性能良好的鋰硫電池的正極材料。該材料具有如下優(yōu)點：

（1）活化的稻殼炭具有多孔性。（2）硫/碳復(fù)合材料中硫含量高達68%，且硫很好地嵌入孔內(nèi)，提高了硫的利用率。

經(jīng)過以上課題的探究，相信學(xué)生對于知識與實際相聯(lián)系有進一步的認(rèn)識。實驗室的開放，鼓勵了學(xué)生自行查閱資料，合作探究，動手實驗，結(jié)果分析，有效地培養(yǎng)了他們的綜合實踐能力，并與情感、態(tài)度相整合?，F(xiàn)實生活同樣是“課堂”，將生活引入科學(xué)實驗，甚至?xí)袃r值，從中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

參考文獻：

王維坤，余仲寶，苑克國，等.高比能鋰硫電池關(guān)鍵材料的研究[J].化學(xué)進展，2011（Z1）540-547.