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新时代背景下无机化学实验教学的创新探索_汪政熙.pdf
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1、第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023新时代背景下无机化学实验教学的创新探索汪政熙(湖北科技学院核技术与化学生物学院,湖北 咸宁 437100)摘 要:新时代背景下工科专业的教学改革已然是高校发展趋势。本文采用一步法制备硼簇纳米铂及其低温催化转化甲烷制乙醇的研究引入到应用化学专业无机化学实验的教学中进行创新探索,参加大学生创新创业项目。该实验设计方案的内容符合新时代背景下工专业的需求发展,通过甲烷低温转化的研究加深学生从理论到实践过程的理解,培养学生的理论创新能力和实际实践能力。关键词
2、:新时代背景;甲烷;低温转化;无机化学实验中图分类号:G420 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0272-03Innovative Exploration on Teaching of Inorganic Chemistry Experiment in New EraWANG Zheng-xi(College of Nuclear Technology and Chemical Biology,Hubei University of Science and Technology,Hubei Xianning 437100,China)Abstract:Under t
3、he background of the new era,the teaching reform on engineering majors has become thedevelopment trend of colleges and universities.The one-step method was used to prepare boron cluster nanoplatinum andits low-temperature catalytic conversion of methane to ethanol,and the research was introduced int
4、o the teaching ofInorganic Chemistry experiment in Applied Chemistry for innovative exploration,and participated in the innovation andentrepreneurship project of college students.The content of the experimental design scheme met the needs anddevelopment of engineering professions in the new era,stud
5、ents understanding of the process was deepened from theory topractice through the study of methane low-temperature conversion,and students theoretical innovation ability andpractical practical ability were cultivated.Key words:new era background;methane;low temperature conversion;Inorganic Chemistry
6、 experiment培养符合产业发展需求的高科技优秀人才是新一轮科技改革与产业革命发展方向1。“复旦行动”和“天大行动”的开展,说明新工科建设在建设教育强国发展中的重要性2-3。无机化学实验 旨在培养该专业本科生具备化学化工领域的基础知识并为实验操作技能奠定基础。以前的教学方式是以传统的经典实验为例子,通过反复的操作相关的实验步骤学习操作技能和掌握理论基础,教学过程不包含当下的科研前沿热点研究,属于信息化的严重脱节,导致学生学习兴趣不足更不利于新时代背景下的人才培养,更不符合新工科学科的建设思路。专业建设和人才培养模式的调整是新工科学科建设的发展方向,其思路在于按照产业的需求,将单一的专业模
7、式转变为交叉多学科融合,将适用服务转变为科技前沿和引领科技4。本研究对应用化学专业的无机化学实验教学进行创新探索,用一步法制备硼簇纳米铂并用于甲烷的低温转化制乙醇为例,通过材料的合成方法,表征手段及到具体催化应用实践,使学生了解并掌握各种大型仪器设备的实际操作方法,通过实验前的材料准备、实验中的方法表征和实验后的结果讨论分析,提高学生科学素养,奠基了学生后续科研学习的良好基础,提升了新时代背景下大学生的专业素养和使命感。1 新工科背景下1.1 无机化学实验教学课题的选定随着世界石油的储量日益减少和天然气的探明储量不断增大,天然气的综合利用引起人们的广泛重视。但是大多数天然气产地远离使用地,就地
8、把天然气转化为化工产品成为当今研究的热点5。在天然气众多的转化产物中,醇类是最理想的产物,因为醇保留了甲烷的绝大多数能量,而且在常温常压下是液体,储存运输都比较方便,已被确认为洁净的车用燃料和大功率燃料电池的燃料。然而,甲烷直接转化为液体醇类燃料,一直是催化领域和工业界的巨大挑战6。高温(500 700 K)转化甲烷的过程中需要耗费大量的能量7,不符合目前“碳达峰,碳中和”的发展战略。液相催化体系如 Hg(OSO3H)2、(bmpy)PtCl2等8-9,虽能在温和条件下转化甲烷,但反应过程中催化剂易消耗或流失,且仍需较高的反应温度(400 K)和强酸环境。而以水为氧化剂,CuMOR 材料可以在
9、高温条件下(473 K)将甲烷高选择性转化为甲醇10,但反应温度仍然偏高。中科院徐君研究员等在甲烷选择性氧化研究方面取得重大突破11,以 Au/ZSM-5 为催化剂,使用氧气为氧化剂,在温和条件下选择性氧化甲烷生成甲醇。使用双氧水为氧化剂,以第 51 卷第 3 期汪政熙:新时代背景下无机化学实验教学的创新探索273 Fe-ZSM-5 为催化剂,可在较低温度及压力下将甲烷转化为甲醇,但选择性和转化率仍较低12。最近的研究表明13-14,同样是以双氧水为氧化剂,以 TiO2固载纳米金属材料作为催化体系,实现了在比较温和的条件下高选择性将甲烷转化为甲醇。浙江大学肖丰收教授等做出了重要的贡献15,以
10、AuPd ZSM-5催化剂,在 70 的温度下,实现了 17.3%的甲烷转化率,甲醇的产率达到 15.9%。进一步为了将甲烷转化为乙醇,以NiO/CZ 作为催化剂,以氧气为氧化剂,可以将甲烷在高温(723 K)条件下转化为甲醇和乙醇16,除了需要较高温度外,其乙醇的选择性和产率也较低。而且 H2O2的引入会导致转化过程中的中间体因羟基自由基(OH)的过量而过度氧化产生CO2。开发一种新的催化甲烷转化路线尤为重要。在双碳发展战略和开发新催化转化路线的思路下,结合申请双一流高校提出的科教融合的思路。既要培养学生的实验操作能力,又需融入科学前沿热点问题的研究。通过调研大量相关文献,在了解目前的转化甲
11、烷的方法基础上,进一步提出新方法。帮助学生选择硼簇纳米铂低温转化制乙醇的研究课题,归纳国内外甲烷低温转化的研究进展,提出实验的研究方案和研究内容,确定研究的目标。在调研文献阶段,增强了学生阅读并快速了解总结当下科研热点前言发展方向的能力。通过小组团队合作方式,提高学生团队协作的能力,通过研究方案和研究内容的确定,有效提高学生凝练整合信息的能力,为以后科学研究奠定了良好的科学素养基础,最后提升了学生理论与实践相结合并解决实际问题的创新思维和动手能力。1.2 教学课题相关的实验设计1.2.1 实验目的(1)了解焙一步法制备硼簇纳米铂的方法;(2)学习大型仪器的基本原理和使用方法;(3)学习理解低温
12、催化转化甲烷的反应机理;(4)掌握低温转化甲烷的测试方法;(5)掌握数据分析处理。1.2.2 实验原理甲烷催化氧化一直是研究领域的前沿,由于 C-H 键在低温或者比较温和条件下很难被打断,所以很多年来甲烷的直接转化一直是催化领域的巨大挑战。而催化甲烷的方法也有很多,而大多数的反应条件比较苛刻,如何实现甲烷的低温直接催化显得尤为重要。以双氧水为氧化剂,纳米材料开始被考虑作为催化剂,实现了在比较温和条件下将甲烷转化的目的。纳米铂材料被广泛应用于工业催化、生物传感器以及燃料电池等,而纳米铂有纳米颗粒、纳米线、多孔薄膜等结构,而纳米材料的结构和尺寸大小对纳米材料的催化性能有着比较大的影响。而研究表明铂
13、(111)面的催化活性是(100)面的 3 7 倍。合成纳米铂的方法有很多种,大多数的方法不仅需要还原剂还需要稳定剂,而且温度也比较高。因此,用一种比较简单且在常温中合成纳米铂的方法显得十分重要。1.2.3 仪器与设备(1)实验药品氯金酸(H2AuCl44H2O)、双氧水(H2O2,30%)、溴化钾(KBr)、盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化 物(DMPO,98%);铯 盐 硼 簇(Cs2B12H12,98%),甲烷(CH4,99.9%)、氧气(O2,99.9%);乙烷(C2H6,99.999%);实用用水均采用超纯水系统进行纯化。(2)实验仪器JEM-2
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