孔春燕，陳玉婷，王愛麗，商書波，王文強，張秀玲，王 芳

(德州學院 化學化工學院，山東 德州 253023)

實驗教學是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力和實踐能力的重要途徑之一，但是各高校實驗教學多偏重基本實驗和專業(yè)實驗，對綜合實驗重視程度不夠，綜合實驗不同于基本實驗和專業(yè)實驗的地方在于注重強化綜合能力，要求學生靈活、創(chuàng)造性地應(yīng)用所學知識，設(shè)計出具有科學性的實驗方案[1]。近年來，為培養(yǎng)全方位發(fā)展的人才，我國不斷深化教育改革，本科生實驗課程教學改革必須緊跟時代的需求更新實驗教學理念，新的實驗教學內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合學科前沿和社會發(fā)展的需求，同時注重知識的系統(tǒng)性、整體性和相互交叉滲透性，通過研究型綜合實驗培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[2-4]。結(jié)合目前光催化降解環(huán)境污染物這一研究熱點問題，將科研中成熟的實驗移植到教學中，教師給定研究方向和實驗題目后，學生通過查閱文獻自主設(shè)計實驗方案，該綜合實驗可以有效培養(yǎng)大學生自主設(shè)計實驗、運用所學知識發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，從而起到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力的良好教學效果。

1 綜合實驗流程

綜合實驗流程包括前期準備工作和實驗實施階段兩部分，流程圖見圖1。

圖1 綜合實驗流程圖

1.1 前期準備工作

前期準備工作包括學生查閱文獻、設(shè)計實驗方案、教師審核反饋、最終確定實驗方案。具體內(nèi)容包括：

(1)查閱文獻，了解納米TiO2的制備方法，重點掌握水熱合成法制備納米TiO2，根據(jù)文獻設(shè)計利用水熱合成法制備納米TiO2的實驗方案及步驟；

(2)查閱相關(guān)文獻，了解納米TiO2的表征方法，選擇實驗室現(xiàn)有儀器，對催化劑進行表征；

(3)查閱光催化降解染料廢水的相關(guān)文獻，了解對光催化效果產(chǎn)生影響的反應(yīng)條件，設(shè)計光催化降解模擬染料廢水的實驗步驟；

(4)設(shè)計實驗方案。

1.2 實驗實施階段

實驗實施階段，學生需要獨立制備材料，測試材料性能，利用制備的TiO2作為催化劑，光催化降解模擬染料廢水。

1.3 實驗報告編寫

實驗完成后，學生需要將實驗數(shù)據(jù)歸納、整理，并進行分析處理，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析所選擇實驗方案制備材料的特點，及光催化降解染料廢水的效果，寫出綜合實驗報告。

2 實驗?zāi)康?/h2>

(1)了解納米TiO2的不同制備方法，掌握水熱合成法制備納米TiO2的方法；

(2)學習掃描電鏡、X射線粉末衍射儀等納米TiO2的性能表征方法；

(3)掌握光催化降解染料廢水的反應(yīng)機理。

3 實驗原理

納米TiO2是一種新型無機功能材料，具有比表面積大、表面活性高、光吸收性能好、氧化能力強、無毒、成本低等優(yōu)點，被廣泛用作光催化反應(yīng)的催化劑。TiO2具有三種晶型，分別是板鈦礦(Brookite)、銳鈦礦(Anatase)和金紅石(Rutile)[5]。目前，制備納米TiO2的方法有溶膠凝膠法、均勻沉淀法、微乳法和水熱法等。水熱法以其環(huán)境友好、低溫，產(chǎn)物純度高、分散性好、均勻、粒度分布窄、無團聚、晶型好、形狀可控、易工業(yè)化等優(yōu)點，本實驗選擇水熱合成法作為制備方法[6]。光催化氧化技術(shù)處理染料廢水的基本原理是當光波輻射半導體光催化劑，獲得的能量大于或等于半導體的帶隙能時，形成導帶光生電子(e-)，同時在價帶留下光生空穴(h+)。半導體光催化氧化技術(shù)主要依賴于高度活性電子-空穴對與吸附在半導體表面的 OH-和 H2O 等發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成羥基自由基 ·OH，可氧化降解有機污染物，對降解物幾乎沒有選擇性。

4 實驗內(nèi)容

4.1 試劑和儀器

葡萄糖(分析純)，硫酸鈦(化學純)，尿素(分析純)，氫氧化鈉(分析純)，甲基橙(分析純)。分析天平(梅特勒)，分光光度計，磁力加熱攪拌器，電動離心機，電熱鼓風干燥箱，水熱合成反應(yīng)釜(聚四氟乙烯材質(zhì))，X射線粉末衍射儀，掃描電子顯微鏡，光催化反應(yīng)器。

4.2 實驗步驟及結(jié)果

4.2.1 納米TiO2的制備

(1)準確稱取3.6 g硫酸鈦溶于30 mL蒸餾水中并不斷攪拌，再稱取1 g 尿素溶于上述溶液中，繼續(xù)攪拌直到尿素完全溶解為止。

(2)將反應(yīng)液放入50 mL反應(yīng)釜中并在180℃下水熱處理3 h，反應(yīng)完成后取出反應(yīng)釜，冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物倒出，靜置沉淀。

(3)將分離的沉淀物用蒸餾水反復(fù)洗滌至中性，最后在80℃下真空干燥即得到白色的TiO2粉末。

4.2.2 自制納米TiO2的表征

(1)采用 X 射線粉末衍射儀(XRD)對產(chǎn)物進行表征，研究所得產(chǎn)物的物相組成和晶體結(jié)構(gòu)。引導學生思考，如何通過 XRD 譜圖判斷樣品組成是否為預(yù)想的產(chǎn)物，是否含有雜質(zhì)。讓學生通過查閱相關(guān)資料得到結(jié)論，從而培養(yǎng)學生解決問題的能力。 表征結(jié)果見圖2。

表征結(jié)果表明，實驗中制得的TiO2主要為銳鈦礦結(jié)構(gòu)和少量的金紅石結(jié)構(gòu)。

(2)利用掃描電子顯微鏡(SEM)對自制TiO2進行表征，觀察制備材料的形貌，粒徑大小，啟發(fā)學生思考制備過程中哪些條件可以影響樣品形貌，并引導學生設(shè)計一些對比實驗進行驗證。培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，讓學生掌握納米材料制備的過程與方法。

圖2 TiO2的XRD譜圖

圖3 電子顯微鏡圖

從圖3可以看出，TiO2粉體的直徑在20 nm左右，呈現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu)，有團聚現(xiàn)象，沒有發(fā)生破裂，在馬弗爐中燒后得到的產(chǎn)物強度較好。

4.2.3 光催化性能測試

圖4 甲基橙標準曲線

(1)模擬染料廢水的配制。稱取1 g 甲基橙放入燒杯中，加入蒸餾水攪拌溶解，倒入1000 mL容量瓶中定容，濃度為1 g/L，作為儲備液。取20 mL配制好的1 g/L甲基橙儲備液稀釋定容到1000 mL，作為模擬染料廢水，濃度為20 mg/L。

(2)甲基橙標準曲線的繪制。取9支比色管，分別加入1、5、10、15、20、25、30、40和50 mL濃度為20 mg/L的甲基橙溶液于50 mL比色管中，加入去離子水至50 mL，稀釋成濃度為0.4、2、4、6、8、10、12、16和20mg/L的甲基橙溶液。在640 nm波長處，用30 mm的比色皿，以水做參比，測定吸光度，繪制標準曲線，見圖4。

(3)取100 mL 甲基橙溶液，加入0.1 g催化劑，于黑暗處磁力攪拌，每隔半小時取樣，取樣2次，測定TiO2粉末吸附性能。然后磁力攪拌下放入光催化反應(yīng)器，300 W汞燈光照，每隔30 min取樣，離心分離后測定吸光度，測定TiO2粉末光催化性能。

表1 TiO2粉末吸附性能測試數(shù)據(jù)

表2 TiO2光催化性能測試數(shù)據(jù)

圖5 TiO2粉末光催化性能曲線

實驗結(jié)果表明： 60 min內(nèi)TiO2對甲基橙的吸附去除率較低，60 min內(nèi)對甲基橙的吸附去除率大約為1.61%。由表2及圖5可知TiO2對甲基橙的光催化降解率隨著反應(yīng)時間的增加而增大，30 min左右甲基橙光催化降解率為24.22%，90 min光催化降解率可達66.91%，150 min時TiO2的光催化降解率為100%，甲基橙溶液基本無色透明。

5 結(jié)語

本實驗針對目前光催化研究熱點，采用水熱合成方法制備納米TiO2，借助儀器對制備產(chǎn)物進行表征與性能測試，并利用自制TiO2催化劑對模擬染料廢水進行降解，鼓勵學生通過查閱文獻，自行設(shè)計實驗方案，實驗設(shè)計要求充分考慮學生實驗需要制備方法簡單易行、原材料廉價且對環(huán)境友好，通過實驗方案設(shè)計培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。該實驗所涵蓋知識點多，是一個跨學科的實驗，包括材料制備、儀器分析、環(huán)境污染治理等方面的知識，可以充分激發(fā)學生對科學試驗探索的興趣，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。