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        基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的本科生綜合實驗設(shè)計

        2021-03-23 10:41:16孟玉蘭周瑞武宋學(xué)志
        實驗室研究與探索 2021年2期
        關(guān)鍵詞:硝基苯咪唑碳化

        孟玉蘭,陳 茜,張 薇,周瑞武,宋學(xué)志

        (大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧盤錦 124221)

        0 引言

        金屬有機(jī)框架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs)是由無機(jī)金屬中心或金屬簇與有機(jī)配體以配位鍵的方式鍵合,通過自組裝形成的具有周期性的一維、二維或三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一類晶態(tài)多孔材料。MOFs 材料具有高表面積、低密度、可功能化、尺寸可控等特點,廣泛應(yīng)用于氣體儲存、藥物輸送、傳感器、能源和催化等領(lǐng)域[1-3]。沸石咪唑骨架(ZIFs)代表了由咪唑類配件和金屬離子組成的一類特殊的金屬有機(jī)骨架化合物,其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的硅鋁酸鹽沸石相似。

        4-硝基苯酚(4-NP)是水體中常被檢測的有機(jī)污染物,可對血細(xì)胞,腎臟和肝臟造成損害,是影響人體健康的污染物之一。美國環(huán)境保護(hù)局已將4-硝基苯酚列為“優(yōu)先污染物”,并規(guī)定硝基苯酚在天然水中的濃度應(yīng)低于10 ng/L。4-硝基苯酚具有較好的水溶性,在自然界很難降解,使其大量存在于工業(yè)廢水中而被歸類為嚴(yán)重的水污染物,因此含4-硝基苯酚廢水的處理是世界性難題。另一方面,4-氨基苯酚(4-AP)具有毒性低、易降解等特性,被廣泛應(yīng)用于合成止痛劑和退熱劑,是合成各種藥物和塑料制品的中間體。通過還原4-硝基苯酚可以制備4-氨基苯酚[4-5],這也與綠色化學(xué)理念相契合,是處理此類水體污染的重要綠色途徑,對于綠色化學(xué)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

        本文以硝酸鈷和二甲基咪唑為原料,在表面活性劑作用下,通過反應(yīng)合成ZIF-67 立方體[6-7],并對其進(jìn)行碳化,制備鈷/碳復(fù)合納米催化劑。在硼氫化鈉(NaBH4)的還原劑下,將4-硝基苯酚催化還原為4-氨基苯酚。

        通過化學(xué)反應(yīng)合成ZIF-67 材料,可以檢驗學(xué)生有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)等理論知識;通過實驗過程的鍛煉,可以有效考查學(xué)生的實驗操作能力及催化反應(yīng)的設(shè)計;通過學(xué)習(xí)3Dmax 等軟件表達(dá)分子的結(jié)構(gòu),使材料更形象化,便于理解。通過綜合實驗的設(shè)計和探索,不斷培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的學(xué)生和科研工作者的后備力量[8-9]。

        1 實驗?zāi)康?/h2>

        (1)學(xué)習(xí)制備金屬有機(jī)骨架材料及鈷/碳復(fù)合材料,了解材料合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控等方法。

        (2)學(xué)習(xí)材料表面形貌及結(jié)構(gòu)分析方法,掌握催化劑性能的測試原理與方法。

        (3)學(xué)習(xí)畫圖軟件的應(yīng)用,通過圖形表達(dá)材料的結(jié)構(gòu),掌握軟件的使用方法。

        (4)將此實驗方案開發(fā)為綜合實驗,培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)合成和分析問題的能力,提高學(xué)生的科學(xué)研究興趣,為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供支持。

        2 實驗原理

        鈷離子中心與2-甲基咪唑配體中氮原子之間的配位作用誘導(dǎo)二者組裝成為沸石咪唑骨架化合物(ZIF-67),在高溫惰性氣氛下,有機(jī)組分碳化并還原金屬離子中心進(jìn)而構(gòu)建最終的鈷/碳復(fù)合納米催化劑,其合成路線如圖1 所示。

        圖1 合成路線示意圖

        結(jié)合圖1 中ZIF-67 和催化劑的結(jié)構(gòu),學(xué)生可以自行學(xué)習(xí)3Dmax軟件或者PPT 來構(gòu)建材料的組成及結(jié)構(gòu)圖,熟悉軟件操作并想象材料的立體結(jié)構(gòu),通過構(gòu)圖和色彩搭配提高自身的審美意識,為以后的工作學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

        3 實驗設(shè)計

        3.1 實驗原料及儀器

        原料:2-甲基咪唑(C4H6N2),六水合硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O),十六烷基三甲基溴化銨(C16H33(CH3)3NBr),硼氫化鈉(NaBH4),去離子水等。儀器:管式加熱爐(OTF-1200X),X-射線衍射儀(XRD-7000S),掃描電子顯微鏡(Nova NanoSEM 450),紫外-可見分光光度計(Agilent Cary 60)等。

        3.2 ZIF-67 的制備

        將硝酸鈷(58 mg,0.02 mmol)和1 mg 十六烷基三甲基溴化銨的2 mL水溶液迅速加入14 mL的2-甲基咪唑(908 mg)水溶液中,并在室溫下劇烈攪拌20 min。然后離心分離,并用乙醇多次洗滌,收集沉淀物,在室溫下干燥備用。

        3.3 鈷/碳復(fù)合納米催化劑的制備

        稱取一定量的ZIF-67 放于石英舟中,然后放入管式爐中,在氬氣氣氛下以5 ℃/min的升溫速率升溫至設(shè)定溫度,恒溫一段時間,冷卻至室溫后得到黑色粉末,命名為Co@C-N(T-x),其中T為碳化溫度,x 為碳化時間。本次實驗中共分為2 組進(jìn)行碳化,碳化溫度分別為700 和800 ℃,碳化時間均為6 h。

        3.4 催化性能測試

        以硼氫化鈉作為還原助劑,將4-硝基苯酚還原成4-氨基苯酚來評估鈷/碳復(fù)合納米材料的催化性能。測試方法如下:取3 mL去離子水加入石英比色皿中,利用紫外-可見分光光度計測量基線,然后分別加入0.02 mL濃度為0.01 mol/L 的4-硝基苯酚和0.1 mL濃度為0.2 mol/L 的NaBH4,混合均勻后測量其吸光度,記為反應(yīng)前4-硝基苯酚的吸光度。隨后,將20 μL濃度為1 mg/mL 的鈷/碳復(fù)合納米催化劑分散液(溶劑為乙醇)加入上述比色皿中,然后用紫外-可見分光光度計每隔1 min 測量1 次,波長測量范圍為550~250 nm。

        4 結(jié)果與討論

        4.1 結(jié)構(gòu)表征

        將上述材料進(jìn)行X-射線粉末衍射(XRD)測試,如圖2 所示,測試角度為5°~70°,對所得的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行對比分析,圖2(a)顯示所合成的ZIF-67 晶體與ZIF-67 標(biāo)準(zhǔn)特征峰位置完全重合,證明制備出來的ZIF-67 與文獻(xiàn)中所合成的ZIF-67 具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。

        鈷/碳復(fù)合納米催化劑的XRD 譜圖如圖2(b)所示,經(jīng)過核對,在2θ=44.37°,51.59°處的峰與金屬單質(zhì)Co的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.15-0806)重合,分別對應(yīng)(111)和(200)晶面,表明所制備的催化劑中含有鈷單質(zhì)。同時可以發(fā)現(xiàn)隨著碳化溫度的增加,物質(zhì)的衍射峰越來越強(qiáng),表示樣品的結(jié)晶度越高。

        圖2 XRD測試譜圖

        4.2 表面形貌

        將樣品置于加入少量乙醇的離心管中,超聲處理使樣品粉末均勻分散。將制備好的分散液滴到硅片上,干燥后進(jìn)行掃描電子顯微鏡測試,所得樣品的形貌如圖3 所示。由圖3(a)可知,所制備的ZIF-67 表面光滑,尺寸均勻,大約為0.3 μm。碳化后材料的整體結(jié)構(gòu)都保存十分完整,基本維持了原本形貌,碳化后的立方體其大小也比較均勻,如圖3(b)和(d)所示,分別為700 ℃和800 ℃對ZIF-67 進(jìn)行碳化后所得催化劑的形貌。碳化后的催化劑表面有很小的顆粒附著分散在材料表面,經(jīng)過分析可知小顆粒為鈷金屬。

        圖3 ZIF-67碳化前后的形貌

        4.3 催化性能

        通過催化性能測試,可以得到所制備的催化劑催化性能圖[10-14],對測試結(jié)果進(jìn)行整理,如圖4 所示。

        圖4 催化劑性能測試圖

        如圖4(a)所示,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,對應(yīng)于4-NP的吸收峰(400 nm)逐漸減弱,而對應(yīng)于4-AP 的吸收峰逐漸增強(qiáng)(300 nm),說明在催化劑作用下4-NP 已經(jīng)被還原為4-AP。通過圖4(b)可以看出在Co@ C-N(800-6)催化作用下,還原反應(yīng)速率快,而Co@ C-N(700-6)的催化反應(yīng)速率較慢,可能是因為較高溫度下碳化使金屬鈷的結(jié)晶度高,與反應(yīng)物接觸后,從而使催化性能更優(yōu)。

        如何得到性能最優(yōu)的催化劑,還需要不斷地嘗試和探索。此外,催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性及其他性質(zhì)也需要不斷探究。

        5 結(jié)語

        本實驗選取的ZIF-67 可在室溫下合成,制備條件溫和,方法簡單。材料的合成和制備,可以使學(xué)生深入了解晶體的結(jié)構(gòu)、組成及反應(yīng)原理方面的知識。材料的表征及性能研究,可以使學(xué)生了解材料的微觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu),并探究材料結(jié)構(gòu)與催化性能的關(guān)系。通過計算機(jī)繪圖軟件模擬材料結(jié)構(gòu),鍛煉了學(xué)生的空間想象力及操作軟件的能力。結(jié)合設(shè)計的實驗內(nèi)容,所制備的催化劑還有更多需要研究和探索的空間,如催化劑的穩(wěn)定性及循環(huán)性能,同時催化劑的碳化溫度和時間等制備條件也需要更多地探索來實現(xiàn)催化劑的結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)化。另外,如何對綜合實驗進(jìn)行考核也需要不斷探索[15]。通過此實驗,使學(xué)生了解科學(xué)研究的基本方法,熟悉實驗的基本操作,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新研究提供支持。

        實驗設(shè)計中通過材料合成、表征及應(yīng)用的研究,對本科生所學(xué)的基礎(chǔ)知識加以鞏固和提高,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新能力。同時實驗內(nèi)容結(jié)合水污染和綠色化學(xué)的概念,具有鮮明的時代背景,整個實驗流程具有一定的難度,對本科生分析問題、解決問題的綜合能力提出了較高要求,對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高層次人才具有重要意義。

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