吳 音， 劉蓉翾

(清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)成為全球焦點(diǎn)問題。隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源消耗急劇增加，可開采的常規(guī)能源越來越少，這不僅開始限制全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也嚴(yán)重污染了人類賴以生存的環(huán)境[1-2]。礦物燃料的資源逐漸耗盡以及對(duì)環(huán)境的影響，促使人們尋找開發(fā)新的能源。當(dāng)今新能源和環(huán)境友好等各種新材料已經(jīng)成為科學(xué)研究前沿，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生是當(dāng)今高等院校教學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)[3-4]。在材料學(xué)專業(yè)開設(shè)新能源環(huán)境友好材料制備實(shí)驗(yàn)非常重要和必要[5-6]。為此，對(duì)在本科生中開設(shè)新能源和環(huán)境友好材料制備的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了探索。嘗試在新形勢下培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與質(zhì)量。同時(shí)，希望通過這些實(shí)驗(yàn),把科研工作的新進(jìn)展、國際上相關(guān)研究的最新內(nèi)容及時(shí)補(bǔ)充到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，使實(shí)驗(yàn)具有前沿性。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體設(shè)計(jì)

嘗試在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開設(shè)新能源材料和環(huán)境友好材料制備及性能表征兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簩W(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)獲取所需信息→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案→制備選定材料與樣品→表征所制備材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能→綜合整理所獲得資料、撰寫報(bào)告→口頭報(bào)告所取得的成果并相互討論[7]。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程

2.1 ZrO2 基固體電解質(zhì)(YSZ)的制備

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、潔凈的新能源技術(shù)，對(duì)能源的有效利用和全球環(huán)境的保護(hù)產(chǎn)生積極的影響[8]。其開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決目前世界能源短缺和環(huán)境污染的重要手段，受到了世界有關(guān)國家的普遍重視[9]。SOFC主要由電解質(zhì)、陽極、陰極和連接體組成，其中電解質(zhì)是核心部分，其性能的優(yōu)良直接決定燃料電池的應(yīng)用前景[10-11]。在SOFC系統(tǒng)中，電解質(zhì)的主要功能在于傳導(dǎo)氧離子。ZrO2基固體電解質(zhì)是最早開發(fā)和使用的，是目前SOFC系統(tǒng)主要使用的電解質(zhì)材料[12]。因此，選擇制備ZrO2基固體電解質(zhì)(YSZ)作為其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用沉淀法和水熱法等技術(shù)合成粉體，經(jīng)過球磨、造粒、成型，燒結(jié)，制備出不同含量的Y2O3摻雜ZrO2陶瓷。利用XRD對(duì)制備的ZrO2陶瓷進(jìn)行相分析；SEM觀察其表面形貌；應(yīng)用阻抗分析儀對(duì)樣品進(jìn)行電性能測試。繪出Cole-Cole圖，擬和求出圓的直徑得到電阻。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解ZrO2基固體電解質(zhì)導(dǎo)電原理；掌握ZrO2基固體電解質(zhì)(YSZ)的制備工藝；熟悉Y2O3不同含量摻雜對(duì)氧化鋯離子導(dǎo)電性的影響；掌握利用交流復(fù)阻抗技術(shù)研究多晶材料離子電導(dǎo)行為。

2.2 溶膠-凝膠法制備TiO2 薄膜

另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇了溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜。TiO2薄膜具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、超優(yōu)的光電轉(zhuǎn)化、光催化特性能和親水性, 具有突出的與當(dāng)前能源利用和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的優(yōu)異性能[13]。TiO2的光催化特性在廢水處理、空氣凈化、太陽能利用、抗菌自潔等環(huán)境污染治理中有著廣泛的應(yīng)用前景，成為一種大有前途的環(huán)境凈化材料，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[14-15]。

實(shí)驗(yàn)利用溶膠凝膠(sol-gel)方法，制備TiO2薄膜。通過改變制備工藝條件，如前軀體濃度、pH值、溫度、涂覆層數(shù)、熱處理制度等，制備銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜。利用XRD對(duì)制備的TiO2薄膜進(jìn)行相分析；AFM觀察TiO2薄膜表面形貌；SEM觀察其斷面形貌，薄膜的厚度；紫外可見光分光光度計(jì)測試TiO2薄膜吸收光譜。通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解TiO2材料的基本結(jié)構(gòu)、性能及制備方法，熟悉TiO2光催化特性環(huán)境保護(hù)的原理，掌握溶膠-凝膠法制備薄膜的基本原理和過程。

3 教學(xué)效果

(1) 大大提升學(xué)生的科研興趣與科研能力。由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為目前新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是學(xué)院在研的科研項(xiàng)目，大大激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和興趣, 相比以前被動(dòng)地根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班地進(jìn)行常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)更具挑戰(zhàn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是未知的，實(shí)驗(yàn)方法和步驟也根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中更加主動(dòng)地面對(duì)問題。此外，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參與課題組的科研工作，參加課題組的學(xué)術(shù)討論以及學(xué)院的學(xué)術(shù)講座。有機(jī)會(huì)接觸學(xué)院當(dāng)前國際上最先進(jìn)的各種儀器設(shè)備，如XRD、SEM、拉曼光譜、原子力顯微鏡AFM，薄膜透過率測定等。這不僅使學(xué)生了解無機(jī)材料先進(jìn)的表征方法及物理性能測試方法，還為學(xué)生提供了以后在科研或是工作中可能遇到的問題感性認(rèn)識(shí)，從而使豐富的科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。通過實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生積極創(chuàng)新的精神，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。同時(shí)，使學(xué)生有一種置身國家科技前沿的感覺，增加了學(xué)生投身科學(xué)研究的愿望。圖1～3所示為學(xué)生對(duì)樣品進(jìn)行的一些測試結(jié)果。

圖1 硅基片上生長TiO2薄膜的XRD圖譜

圖2 ZrO2(8Y)復(fù)阻抗譜圖

圖3 TiO2薄膜表面的原子力顯微照片

(2) 實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)高度綜合性，并能和課堂所學(xué)的內(nèi)容緊密結(jié)合。從開始實(shí)驗(yàn)到最后的數(shù)據(jù)處理和報(bào)告撰寫涉及相關(guān)的多門課程知識(shí)，需要用到很多已學(xué)或正在學(xué)的知識(shí)，如在進(jìn)行材料合成及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表征測試時(shí)，與他們正在學(xué)習(xí)課程材料化學(xué)、XRD技術(shù)和材料物理性能等理論課相互映襯，使學(xué)生邊學(xué)邊用、學(xué)有所用，獲得好的教學(xué)效果，從實(shí)際的角度上推動(dòng)了學(xué)生在材料理論知識(shí)上的認(rèn)可程度。綜合實(shí)驗(yàn)除了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性以外，還體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)方法的多樣性，學(xué)生嘗試使用不同制備技術(shù)、測試表征技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過本實(shí)驗(yàn)全面訓(xùn)練的過程中，除了鞏固基本操作技術(shù)外，還培養(yǎng)了學(xué)生把所學(xué)理論知識(shí)和已掌握的實(shí)驗(yàn)基本技能運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中。對(duì)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)的綜合培養(yǎng)。

4 結(jié) 語

通過在本科生材料學(xué)專業(yè)開設(shè)能源環(huán)境友好材料制備及性能表征實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生很好的了解新材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)、研究方法和研究手段的不斷發(fā)展和更新，掌握材料制備新技術(shù)新工藝，了解無機(jī)材料先進(jìn)的表征方法及物理性能測試技術(shù)。另外，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，分析問題和解決問題的能力，以及在實(shí)驗(yàn)研究中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、求實(shí)的作風(fēng)以及大膽創(chuàng)新的精神起到積極的作用。在大三本科生開展實(shí)驗(yàn)1年來，得到了學(xué)生廣泛的歡迎和認(rèn)同，增進(jìn)了他們對(duì)專業(yè)的熱愛，總體取得較好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍認(rèn)為實(shí)驗(yàn)對(duì)他們以后的實(shí)驗(yàn)室歷程非常有幫助。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 吳其勝．新能源材料[M]．上海：華東理工大學(xué)出版社，2012．

[2] 蘇麗芬，夏 茹，袁孝友，等. 新能源材料導(dǎo)論—課程教學(xué)體會(huì)與探索[J]. 廣東化工，2015,42(302):228.

[3] 李品將，法文君.《新能源材料與技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)踐與探索[J].能源與環(huán)境，201 (3):36-37.

[4] 安春愛，米曉云，柏朝暉.淺談新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)[J]. 長春教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,28(6):107-108.

[5] 朱媛媛,陳智慧,曲 婕. 新能源材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013,12(2):157-158.

[6] 曾惠丹，楊云霞，趙崇軍. 新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012,31(10):109-111.

[7] 吳 音,龔江宏,唐子龍.無機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011,28(6):257-258 .

[8] 汪 燦，劉 寧，石 敏，等. 固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2004,18(s1): 264-266.

[9] 黃曉巍，劉旭俐，李湘祁，等.氧化鋯基固體電解質(zhì)的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008,36(11):1669 -1674.

[10] 趙蘇陽，胡樹兵，鄭扣松，等. 固體氧化物燃料電池(SOFC)制備方法的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2016,20(7): 27-30.

[11] 李偉偉，李 麗，楊 理. 固體氧化物燃料電池研究進(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2016, 40(9):1888-1889.

[12] 謝富丞，王 誠，毛宗強(qiáng).低溫固體氧化物燃料電池的復(fù)合電解質(zhì)材料[J].中國工程科學(xué), 2013, 15(2):72-76.

[13] 劉桂超，索丹霞，彭婷婷. 摻雜TiO2光催化在環(huán)境治理中的探索[J].科學(xué)時(shí)代, 2014(19).

[14] 柳清菊. TiO系光催化超親水性薄膜的研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 34(2):224-225.

[15] 范 巍，王占生，楊忠平.納米TiO2光催化降解有機(jī)廢水及改性研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2008, 28(12):9-13.