钒酸银光催化剂的研究型实验教学初探

孙建之， 董 岩

(德州学院 化学化工学院，山东 德州 253023)

0 引 言

实验教学作为高等学校教育体系的重要组成部分，在培养学生动手能力、发现问题、分析问题和解决问题能力及创新意识等方面发挥着越来越重要的作用。化学作为一门以实验为基础的学科，尤其需要重视在实践中检验理论，研究中创新知识。在强化应用型人才培养的今天，化学实验教学更要体现学科专业的发展前沿、培养学生动手能力和创新意识，设计新的实验项目为学生综合素质的提高创造条件。因此，实验教学的理念更新、实验内容的设计、实验教学的组织形式和考核办法等，一直是近年来化学实验教学研究和改革的主要方向。

研究型实验教学是指学生针对实验教师提出的问题，独立设计实验方案、确定实验方法、独立操作完成实验的一种实验教学模式[1-4]。要求以学生为主体，建立“引导—探索—实验—掌握”的教学模式。使实验教学的各个环节都能锻炼学生的动手能力，激发学生的主观能动性，突出学生主体地位。让同学们在发现问题、提出问题、分析和解决问题的过程中学习。给同学们更多的思考机会和广阔的思维空间，激发学生求异创新的愿望。显然，研究型教学方法，符合创新性人才培养的要求，也是高等教育培养方式改革的必然途径。

近年来，以半导体金属氧化物为催化剂的光催化反应因具有活性高、降解彻底、可在常温下降解和使用范围广等特点[5-8]，在降解环境污染物的研究中日益受到人们的关注[9-11]。Ag3VO4的低能价带由Ag的4d10轨道和O的2p6轨道杂化组成，高能导带由Ag的5 s轨道和V的3 d轨道杂化组成，由于杂化的价带结构具有比单一O的2p6轨道更活跃的能级，因此禁带宽度更窄，对光的响应范围扩展至可见光区，是一种光催化分解有机物的优良催化剂[12-15]。

为了让学生对光催化剂的制备和光催化性能有一个全面的认识，并锻炼学生运用所学实验技能的能力，我们在前期教学和研究的基础上，设计了“钒酸银光催化剂的制备与性能测试”的研究型教学实验。该实验涉及无机化学(钒酸银的制备)、分析化学(分光光度法测定物质的浓度)、仪器分析( 红外光谱仪、X-射线衍射仪、扫描电镜)、物理化学(反应动力学方程的求解)等多种综合实验方法。可作为化学类专业的综合化学实验。

1 仪器与试剂

(1) 试剂。NaOH、V2O5、AgNO3、亚甲基蓝、无水乙醇(以上均为分析纯)、去离子水。

(2) 仪器。X-射线衍射仪、红外光谱仪、扫描电镜、真空干燥箱、管式气氛炉、500 W氙灯、台式高速离心机、紫外可见分光光度计等，均为化学实验室的常用设备。

2 实验内容的设计依据

我们将“钒酸银光催化剂的制备与性能测试”引入研究型实验教学，在实验设计中我们主要考虑了如下几个方面。

(1) 实验设计体现综合性和研究性。传统的实验只是完成一个或多个知识点的验证，相互间的联系不是很紧密。在学生已具备一定实验知识和技能的基础上，通过研究型实验的训练将各学科的理论知识和实验技能融会贯通、综合运用，学会根据实际问题而选择和运用实验方法和仪器，从而培养学生分析、解决实际问题的能力以及科研能力。本实验既有书本知识的再现，也有新知识的产生，从而体现本实验的内涵——综合性和研究性。

(2) 实验内容与生活科研紧密相关。化学实验是一门以应用为目的、实践性很强的课程，因此在设计实验时，注重联系实际，从而增强学生实验的趣味性，达到提高综合能力的训练目的。光催化剂广泛应用于抗菌材料、太阳能电池、废水的降解处理等多个领域，与人们的生活紧密相关。传统的TiO2光催化剂由于禁带宽度较宽，光催化效果较差，为解决这一问题，人们对复合氧化物光催化剂进行了研究，新型高效光催化剂的设计与合成是当今光催化领域的研究热点。

(3) 实验原理具有典型性。沉淀法作为温和条件下合成无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位，广泛用于制备纳米材料、铁电材料、功能陶瓷等材料。分光光度法是实验室分析中最为经典的方法之一，因其操作简单且成本低廉而被广泛应用。因此实验原理具有典型性，可以加深学生对相关方法基本原理的理解。

(4) 实验可操作性强。通过教师的预实验及教学实践表明，此实验目的明确，操作时间适中，绝大多数学生可以在规定的时间内完成本实验。

3 实验内容的设计

研究型实验教学旨在使学生实现从书本知识到实验设计、实施的衔接，提高学生的实验素质，达到培养学生创新意识的目的。实验设计大致包括以下6个步骤：① 查阅文献、精读文献。精读文献时，带着问题去探求、理解和总结，这一过程就是发现问题，分析问题的过程；② 列出所需试剂和仪器；③ 写出实验步骤。包括各种试剂的具体用量、如何量取、需要的时间等，步骤写的越详细越好。这一步就是分析问题，提出解决问题方案的过程；④ 优选实验的影响因素。在列出影响实验的各种因素的基础上，选出影响实验结果的主要因素，并确定各因素的水平数和水平点；⑤ 形成书面的实验方案；⑥ 实验方案的审核。将实验方案提交任课老师审核，进一步理清实验目的、原理及整体思路、具体步骤、预期结果和实验中要注意的问题等，以便有条不紊地完成预期的实验内容。

针对实验方案设计过程中所遇见的重点和难点问题，同学们可以互相提问，在讨论的过程中，不断总结、逐步提高分析问题、解决问题的能力和团队协作精神。

4 实验的实施

4.1 Ag3VO4的制备与表征

目前最常用的制备方法为沉淀法，具体过程如下：将NaOH和V2O5溶于去离子水中，充分搅拌至完全溶解，将一定量的AgNO3溶于适量去离子水后，倒入上述混合溶液中，得到黄色的沉淀，静置10 h后过滤，用去离子水洗涤数遍后用无水乙醇洗涤五遍，放入干燥箱中烘干，即为催化剂的前驱体。最后将前驱体放到坩埚中，在管式炉中按一定的速率升温，进行热处理，即得钒酸银光催化剂。

此处学生可根据自己的实验方案选择合适的升温速率和热处理温度，并考察热处理温度对催化性能的影响，也可以自行选择固相法和水热法合成样品。制得的样品分别用X-射线衍射、红外光谱仪和扫描电镜进行表征。要求学生根据标准图谱，对自己制备样品的XRD衍射峰和红外吸收峰进行指认，对样品的形貌做出清晰的认识和描述，并对合成样品的质量有初步的评价。

4.2 光催化剂的性能测试

本实验以亚甲基蓝模拟废水为研究对象，考察Ag3VO4降解亚甲基蓝的效果。首先配制一定浓度的亚甲基蓝标准溶液；绘制吸光值和波长关系的吸收曲线，从吸收曲线上选择适宜波长作为以后的测定波长；然后绘制亚甲基蓝的标准曲线。

分别称取不同质量的Ag3VO4与100 mL亚甲基蓝溶液(10 mg·L-1)混合，置于烧杯中。在氙灯光源下光照一段时间，每隔半小时取样，用紫外可见分光光度计测定亚甲基蓝的吸光度。根据标准曲线计算亚甲基蓝的降解率。考察催化剂用量对亚甲基蓝降解率的影响。

称取0.1 g Ag3VO4于烧杯中，分别加入不同浓度的100 mL亚甲基蓝溶液，在氙灯光源下光照一段时间，每隔半小时取样，测定亚甲基蓝的吸光度。考察亚甲基蓝浓度对降解率的影响。

要求学生查阅文献，初步确定吸光光度法测定亚甲基蓝的最大波长及标准曲线的范围。确定催化剂的用量和亚甲基蓝的浓度，理解催化剂用量和亚甲基蓝浓度影响降解率的原因。提出进一步提高亚甲基蓝降解率的途径，提高学生的自学和查阅文献的能力。同时，让学生认识到本实验需要多学科知识和实验技能的配合才能完成，提高学生从事科研的兴趣。

4.3 光催化动力学分析

为了研究Ag3VO4催化剂光催化降解亚甲基蓝的动力学特性，运用一级反应动力学模型来拟合其降解特性，公式如下：

lnC/C0=a+kt

其中：k为表观动力学速率常数；C0为亚甲基蓝的初始浓度；t为反应时间；Ct为在t时亚甲基蓝的浓度。按照上述公式，以ln(C0/Ct) 为纵坐标，时间t为横坐标作图，得到催化剂降解亚甲基蓝的动力学特性。

让学生初步学会从化学反应动力学的角度来分析亚甲基蓝降解的过程，学会常用的数据处理软件Excel、Origin的使用。

5 实验报告

在完成实验1周后，每位学生都要上交一份正式的实验报告，并且各小组成员经过讨论后，由组长写1份实验方案设计及讨论总结报告，内容包括实验方案的制定、课堂讨论情况总结、实验过程中的收获和不足之处、以后改进的措施以及对实验方法和规律的总结等。在撰写报告时必须坚持实事求是的原则，将实验的原始数据进行记录、整理、归纳和分析，从中找出规律，得到合理的结论。

实验报告是实验课程考察的重要环节。在传统的实验教学中，因为实验步骤、实验条件、 实验结果都是一样的，所以很多实验报告是将实验指导书重抄一遍。而在本实验中，因为各个实验组的实验方案不同，实验现象、实验结果可能不同，学生必须准确记录自己的实验现象和结果。在实验报告中不强调学生对于实验原理、实验仪器与试剂的书写，也不强调学生实验结果的好坏，而是要注重实验过程的设计及讨论与分析。

6 结 语

开设研究型教学实验，是培养和提高大学生的实践能力和创新能力的有效途径，也是大学实验教学改革的主要方向。本文以光催化剂的制备与性能测试为基础，探索开设研究型实验的途径，实验内容是当前的研究热点课题，涉及无机化学、分析化学、仪器分析、物理化学及数据处理软件，在锻炼学生独立开展实验能力的同时，还可以巩固以前的知识与实验技能，提高学生解决实际问题的能力和创新意识。

研究型实验教学逐步会成为大学的基本教学理念和模式。它的实施不仅需要实验教师开展研究性教学、不断开发新的实验项目，而且需要学生的积极主动配合，另外，学校还应提供相应的环境条件保障。只有这样才能充分发挥研究型实验教学在人才培养中的作用。

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