研究型综合化学教学实验的探索

作者: 来源: 发布时间:2018年09月01日 点击数:

研究型综合化学教学实验的探

宋红杰张立春, 吕 弋

 

: 结合近年来材料化学物理学科的研究热点探索了一个由科研课“ 绿 色化学还原法制备石墨烯” 设计转化成的研究型综合化学实验。此实验现象稳定、

重复性好达到教学实验要求。通过本实验项目学生可掌握紫外可见吸收光谱仪、荧光光谱仪结构原理及操作技了解纳米材料的绿色制备方法及表征技强化生的基础知识和实验全面提高学生综合能取得较好的实验教效果。而且本实验还包含大量需要学生进行自主探索的研究性实验内容和过程将当前的研究热点引入到实验教学中使化学实验教学质量有明显提高对培养学生的创新能力科学素养和研究能力有明显效果。 关键词: 综合化学实验; 实验教学; 创新能力

0        引 言

化学是一门以实验为基础的学而实验教学

化学类专业学生培养过程中一个非常重要的环节 验教学环节在整个化学教育教学过程中占有特殊的地对于学生的知识思维和素质的协调发展 着至关重要的作1综合化学实验是一门深层多学科性的和综合性实验技能训练的化学实验 它除培养学生熟练掌握实验技能外还能让学生综

合应用化学知识和多种化学研究方培养学生具 分析问题解决问题的能力;开设综合化学实验课程的目的在于缩短学生在所学的专业基础知识与科 产实践中解决实际问题能力之间的差2培养学的科研能力实践能力和创新能力因此许多高校都 对综合化学实验进行积极地探索与实出版

实验教材和参考书并对其教学实验内容与教学模 进行研3-6

研究型实验教学是指学生针对实验教师提出的问

独立设计实验确定实验方独立操作完

实验的一种实验教学模7- 8突破传统的实验教学 体系与模式加强实验课程中的研究性倡导以学生为主体师为主导—索—验—” 的教学模9现人才培养模式的创研究性验教学将科研的思维方法和技能融入到实验教学中, 增加实验项目的探性和研究激发学生的科研情和创新意识科研型综合实验具有前沿性综合性 研究性和应用性的特点对培养学生的创新意识提高 学生运用理论知识和实验技能解决实际问题的综合能

力有很大的帮助不少高校都陆续开设并完善研究综合化39-10在综合化学实验教学中, 也在进行着实验教体系与内容的改革与调课 题组的科研工作相关领域中较新的科研成果通过精选和改造转化为综合实验课程项目。本文介绍一个由科

研课 绿色化学还原法制备石 设计转化成 研究型综合化学教学实验。

0        绿色化学还原法制备石墨烯教学实验的

计依据

2004 Manchester 大 2 位物理学Andre GeimKonstantin Novoselov成功地在实验中采用胶带从石墨中剥离分离出石墨11并证明它可以

独 存 在两 人 也 因 在 二 维 空 间 材 料 石 墨 烯(Graphene)方面的开创性实验而共同获2010 诺贝尔物理学奖。石墨烯是继富勒烯和碳纳米管之后被发现的又一新型的碳元素结构形态由一层密集的处 于蜂窝状晶体点阵上的碳原子组成的新型二维平面碳纳米材料。石墨烯具有理想的晶格结非常高的表面积( 2 600 m2· g1 )独特的电 力学和热学等特性了让石墨烯的优异性能得到广

泛应用研究者们一直在努力寻找石墨烯的可控规

低成本的制备方。通过还原氧化石墨烯从而 到石墨烯具有低成本适合规模化制备的优点引起各

国学者最多的关成为报道最研究最热门的

法。水合肼二甲肼对苯二硼氢化钠是最常用用来还原氧化石墨烯的还原12-16这些还原方法 然高效简单但对环境和人类健康容易造成污染和危因此发展无毒高效和廉价的绿色化学还原剂 有非常重要的应用价值。本教学实验正是基于这样一

个具有创新性沿性的研究课题上发展的研究型合实验体现新的科研进展和研究热开阔学生培养学生的综合实验能力提高实验教学水平。

0        绿色化学还原法制备石墨烯教学实验的设

21 实验目的

(1)石墨烯的液相合成方法与表征技

握紫外可见吸收光谱荧光光谱仪工作原理及操 技能。

(2)了解共振光散射光谱法分析原理及其在重属离子检测方面的应用。

(3)发学生对环境问题的关并针对不同境污染物开展更多研究工作。

22 实验原理

221 化学氧化还原法制备石墨烯的原理

石墨先与强氧化剂发生氧化反氧原子进入

石墨层间并以羟基环氧基等活性含氧团的形式与紧密的碳网面中的碳原子相结形成 价键型石墨层间化合物即氧化石墨;氧化石墨由于引

入了活性较高的含氧官能团层间距大大加大层间范

德华力大大减弱使其在溶剂中分散后借助超声震 等机械作用而被完形成稳定的氧化石墨烯

浮液;最后采用绿汁作为绿色化学还原在不

加任何稳定/分散剂的情况下对氧化石墨烯溶液进行还原制备出具有良好分散性和稳定性的石墨烯水溶 液。

222 共振光散射光谱分析原理

光散射是指一束光通过介质在入射光方向

外的各个方向观察到的一种光辐射现象。根据与光子

相互作用的微粒的尺寸大小(d)和入射光波长(λ )

间的关系光散射可分为(Mie)(dλ )

(Tyndall)散射(λ d005λ )和瑞利(ayleigh) (d 005λ )瑞利散射是散射光波长等于入射而且散射粒子又远小于入射光波长产生的弹性 散射的波长位于或接近于微粒的吸收

其散射程度将不再遵守瑞利散射定律并且某些 长的散射程度急剧增这种现象称为共振瑞利散(RRS)或称共振光散(LS) 17在普通的分光光度计上选择合适的激发和发射通带宽 相等的激发和发射波长同时扫描激发和发射单色器所的同步光(Δλ = 0)即为光散射粒子的散射18。由于散射光谱属于同步光谱而散射光是源于

等波长入射光激发射粒子时产生故散射粒子实际上是能发射出与激发光波长相等的新发光体因此,共振光散射信号属于同步发19根据同步发光方 程:

= KcbEex(λ ex)Eem(λ ex + Δλ) (1)

式中:Eex是在给定激发光波长(λ ex = λ em Δλ )

发函数;Eem是在对应的发射波长处(λ em = λ ex +Δλ )发射函数;K是与仪器条件有关的常;b 为液池 度。Δλ = 0 时得共振强度为

由式(2)可知在仪器条件一定共振光散射强度

射粒子的浓 c成正据此可以用于散射粒子 定量测定。

23 实验试剂与仪器

231 实验试剂与原料

墨粉为光谱天津市光复精细化工研所。 P2O5H2SO4K2S2O8KMnO4 和 H2O2 (30%)为分析纯且在使用中无需进一步纯成都科龙化工试剂 厂。绿茶汁是取市售干燥的普通绿茶叶水煮后过滤除去茶叶渣并离心分离得到。所用溶液用二次蒸馏水配 制。

232 实验仪器

三口烧瓶烧杯量筒布氏漏斗集热式恒温磁力

(DF-101S巩义予)超声波细胞粉碎

(JY96-IIN宁波新芝)(H1850)紫外分光(U-2910Hitachi)X-射线光电子能谱

(XSAM 800Kratos)原子力显微镜(SPI 4000 SPA-

400 SPMSeiko)透射(G2 F20 S-TWINTecnai) 荧光光谱仪(F-7000Hitachi)

24 实验内容

241 氧化石墨烯的制备

用改进Hummers备氧化石墨其主 过程包括以下几个阶段:

(1) 先25 g过硫酸25 g五氧化二磷加

12 mL 90 ℃的热浓硫酸中混合搅拌至固体完全溶解,混合液冷却至(81) 3 g石墨粉混合均匀,(80±1) ℃条件下水浴反45 h;混合物冷却至室温05 L二次蒸馏水稀释后静置过然后0.

22 μm孔的醋酸纤维素滤膜过滤分并用大量二 蒸馏水洗涤饼室温自然干燥;将上述产物即预氧化的石墨在搅拌条件下加120 mL冰浴的浓硫酸中 搅拌边缓慢加15 g高锰酸钾混合物在冰浴条件搅拌反05 h;水浴升(31) 搅拌反2 h; 拌边缓慢加 250 mL二次蒸馏控温(50±

1) ℃搅拌反2 h07 L二次蒸馏水结束反应;

10 min 边搅拌边加 20 mL 质量百分比浓度30%过氧化氢;将上述溶液趁热过滤过滤得到黄色 滤饼1 L盐酸溶液(HCL:H2O= 1:10)洗涤除


金属离1 L二次蒸馏水洗涤除去多余的酸 多次用二次蒸馏水洗涤至中性。

(2) 将上述过滤产物重新用二次蒸馏水溶解配置

成浓度05 mg/mL的溶然后将溶液装入经过

理的截留分子量8 00014 000 的透析袋中将透析

放入盛有二次蒸馏水 2 L烧杯在搅拌条件 透析除去残留的金属离子。

(3) 将经纯化的氧化石墨调配成浓度为 05

mg/mL的溶液并用功率400 W频率100 kHz 超声波超声散 05 h 对氧化石墨进行剥然后

转速4 000 r /min 的离心机中离心分离除去未剥离的氧化石墨得到黄褐色的均匀分散的浓度05 mg/ mL氧化石墨烯溶液。

242 石墨烯的制备

取绿 50 g 加 500 mL 二次蒸馏水沸 5 min过滤除去茶叶然后在转速4 000 r /min 的离 心机中离心分离杂质颗粒得到绿茶其浓度

过蒸发溶剂称量残留溶质的方法来计算确所得 绿茶汁的浓度10 mg/mL

20 mL浓度05 mg/mL的氧化石墨烯溶液和

10 mL鲜制备的浓度 10 mg/mL的绿茶汁搅拌 均匀并在功率150 W频率40 kHz的超声

清洗器中超声分散 15 min 后转入反应 80 水热反10 h得到均匀分散的石墨烯溶液。

243 氧化石墨烯和石墨烯的表征

紫外可见吸收光(UV-vis):同浓度氧化石

烯和石烯分散液 U-2910(Hitachi)型紫外可见 光光度计上进行测定。

X-射线光电(XPS):燥的氧化石

石墨烯样品采 XSAM 800(Kratos) X射线 电子能谱仪进行测。测试条:激发源为经单色处理Al Kα 线(14866 eV)15 kV

150 W分析室真1333 nPa(1×109 torr)

原子力显微镜(AFM):将氧化石墨烯和石

烯的水分散液滴于劈开的云母片在真空条件

60 30 min干燥后的样品 SPI 4000 SPA- 400 SPM(Seiko)型扫描探针显微镜上用悬臂式探针以

轻敲模式(Tapping Mode)进行扫描测量。高分辨透射

电镜(HTEM)表征:将氧化石墨烯和石墨烯的水分散 液滴于铜网碳支持膜上并置于红外灯下烘干然后在Tecnai G2 F20 S-TWIN(FEI)型场发射透射电子显 镜上进行表征操作电200 kV

244 共振光散射光谱法(LS)Pb2+

(1) 墨烯分散液在使用前先经过梯度离心

分别收集不同转速下离心管的上层石墨烯分散液,本实验使用离心转速8 00010 000 r /min 的石墨烯 分散液。

(2) 制标准曲线:分别取一系列不同浓(0、

248102050 100 μg/L)的硝酸铅溶100 mL 10 mL加入浓度为 50 μg/mL 的石墨烯分散200 mL定容至刻度后转移至锥形瓶中用01 mol /L NaOH01 mol /L HCl 调节液 pH 为 6锥 形瓶放置搅拌器(25±1)°C 条件下搅拌 1

h个混合悬浮液 8 000 r /min 的转速下离 10 min取上层分散液在 F-7000(Hitachi)型分子荧光

度计上λ ex = λ em条件下进行同步扫描其 LS

定其振光强分别以共振光散射光谱强 I Pb2+浓度为纵横坐标作图得到标准曲线。

(3) 试样中铅含量的:准确吸取 100 mL

10 mL色管按标准曲线的实验步骤(相同量的石墨烯分散液定容调节溶pH6吸附

并离心)离心后上层分散液的共振光强 标准曲线上查出和计算试样中铅的含量(μg/L)

0        结 语

本实验教学项目首先通过绿色化学还原法制备石

墨烯对学生进行有关纳米材料制备与表征方面的知识

与技能教学;其次根据这种新型碳纳米材料的光学

吸附特性该教学实验又设计了基于共振光散射原的分析方将石墨烯用于重金属污染——铅离的检测有利于学握新型分析方法原理和重金

离子检测新方法综合性实验项目已在本科化学创新实验教学中顺利实施并获得好评实验应用多种 理论知识和实验使学生了解二维层状纳

材料的制备与表征光学特性及其应用意义培养和提

高学生综合应用实验技术分析问题解决问题和独立进行化学研究工作的能。在教学实践学生参 其中进行自主设验内在探索其他绿色还原

和检测对象方面做很多尝大大增强教学实验

趣味性还引发学生对科学研究的兴趣及对环境污

问题的极大关注达到提高综合能力和培养综合素 的训练目的大大提高了化学实验教学质量。

参考文献(eferences):

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36

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