小晶粒ZSM-5分子筛虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用

姜文凤，张永策，纪 敏，田福平，宿 艳

（大连理工大学 化学学院，辽宁 大连 116024）

多相催化是催化化学的重要组成部分，是目前解决人类面临的能源和环境问题的重要方法之一[1]。固体催化剂的合成和表征是多相催化技术的核心内容。然而，由于催化剂的合成周期长、表征所需大型仪器多且复杂等问题导致在本科实验教学中相关实验无法实际开展，而本科理论教学中也只对多相催化进行概念性介绍，因此本科生在多相催化过程所涉及的重要理论、实验技术和实验方法等方面存在能力缺失问题。

虚拟仿真实验通过模拟实验操作流程，可以反映真实实验过程，是实验室的虚拟化[2-3]。将虚拟仿真实验引入到化学实验教学中，可以通过以虚补实的方式，完成一些高毒性、高危险性及涉及众多大型贵重仪器的实验，并为学生开展自主学习、探究性学习和创新性学习提供手段和资源[4]。可见，虚拟仿真实验的引入不仅有利于激发学生的学习积极性、提高学习效率，也可提高教师的教学效率，强化课堂教学效果[5-6]。

本文依托我校科研团队的实际科研课题，以小晶粒ZSM-5分子筛为研究对象，设计开发虚拟仿真实验项目。通过人机互动过程，学生不仅可以模拟催化剂的仿真合成过程，还可以模拟X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱仪（IR）、吡啶吸附红外光谱仪（Py-FTIR）、X-射线荧光光谱仪（XRF）、物理吸附仪、化学吸附仪等多种大型贵重仪器的仿真操作，掌握催化剂的各种表征技术和手段。该项目可以解决本科生在多相催化领域的核心技术和研究方法等方面能力缺失问题，为他们将来从事能源、材料和环境等相关领域工作奠定坚实的基础。

1 虚拟仿真技术基础

化学虚拟仿真实验是在化学反应原理与大型仪器工作原理的基础上，结合计算机仿真技术和人机交互技术，以更为直观的方式展现实验过程的实验模式[4]。它克服了传统实验教学过于抽象的缺点，具有更好的交互性。学生和教师以用户身份登录实验平台，基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果。其中，反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等多种形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及各种参数变化拟合曲线等。

2 小晶粒ZSM-5分子筛的模拟合成及模拟表征

本实验依托移动虚拟实验 MLabs APP，模拟ZSM-5分子筛合成与表征过程。学生可以不受时间和空间的限制，随时随地登录平台进行系统地学习和体验。学生通过手机等移动终端（采用点击、拖拽、旋转移动等方式）完成水热条件下小晶粒ZSM-5分子筛的合成，并依次模拟完成XRD、SEM、N2吸附-脱附、IR、Py-FTIR、XRF、NH3-TPD 等多项常用催化剂表征技术及催化剂活性评价方法。

2.1 小晶粒ZSM-5分子筛的虚拟合成

小晶粒ZSM-5分子筛的合成采用水热法，其合成过程如下[7-9]：①部分初级凝胶在溶液中溶解，在反应体系中产生活性的铝酸根和硅酸根离子；②活性的铝酸根和硅酸根离子进一步发生更深层次的聚合反应而形成分子筛晶体的单元结构，分子筛晶体由此逐渐形成。

学生模拟合成过程的交互性操作实验如下：室温条件下，将硅源、铝源、模板剂、水、表面活性剂按照所计算的量称量（图 1）；依次加入后搅拌成胶，并分别在烘箱中晶化、洗涤、干燥以及在马弗炉中焙烧（图2）。

图1 称量过程

图2 烘箱晶化过程

ZSM-5分子筛离子交换（图3）：本虚拟实验采用液相离子交换法，将 Na型分子筛与 NH4NO3溶液进行多次交换，焙烧后制得H型的ZSM-5催化剂。将合成的ZSM-5分子筛经铵离子交换3次，再依次经洗涤、干燥和焙烧后，得到H-ZSM-5催化剂。

图3 离子交换过程

2.2 小晶粒ZSM-5分子筛的虚拟表征

实际的实验过程中，分子筛的表征一般采用如下手段：采用 XRD、IR、SEM 等技术表征分子筛的晶体结构、骨架结构和形貌；采用XRF测定分子筛的硅铝比；采用N2吸附-脱附实验测定分子筛的比表面积、孔体积和孔径分布；采用NH3-TPD和Py-FTIR方法表征分子筛的表面酸强度、酸分布和酸种类[7-14]。本文根据实际科研需要设计开发出小晶粒 ZSM-5分子筛表征的虚拟仿真实验，通过人机交互模拟分子筛的各种表征手段。

对H-ZSM-5分子筛进行XRD表征的模拟仿真操作如下（图 4）：首先，对样品充分研磨；其次，开机预热，设置仪器参数；最后，进行谱图采集，处理数据。

图4 H-ZSM-5分子筛的XRD表征

对H-ZSM-5分子筛的SEM表征模拟仿真操作如下（图5）：首先，取适量样品，黏于导电胶上，置于离子溅射仪内进行表面喷金处理；其次，设置仪器电压、电流等参数后，表征分子筛的形貌和晶粒尺寸；再次，将分子筛样品装入样品管中，抽真空，升温，进行样品表面清洁；最后，设置仪器参数，采集数据，表征分子筛的织构性质。

图5 H-ZSM-5分子筛的XEM表征

对H-ZSM-5分子筛的IR表征模拟仿真操作如下（图6）：将样品进行干燥处理以及溴化钾压片；设置红外仪器参数后，采集谱图，分析催化剂的骨架结构。

图6 H-ZSM-5分子筛的IR表征

对H-ZSM-5分子筛进行XRF表征模拟仿真操作如下（图7）：在称量的分子筛中依次加入无水四硼酸锂和偏硼酸锂的混合溶剂，以及脱模剂碘化铵溶液后，放入熔样机，对溶液定容；设置仪器参数后，根据各元素的特征X射线的强度，获得其含量信息，进而确定分子筛催化剂的硅铝比。

图7 H-ZSM-5分子筛的XRF表征

对H-ZSM-5分子筛的Py-FTIR表征模拟仿真操作如下（图8）：首先，将样品压成自支撑薄片后，装入红外池；其次，将红外池连入管路，抽真空，清洁表面；最后，经表面清洁的分子筛样品片静态吸附吡啶蒸汽后，设置仪器参数，采集谱图，表征催化剂的酸性质。

图8 H-ZSM-5分子筛的Py-FTIR表征

对H-ZSM-5分子筛的NH3-TPD表征模拟仿真操作如下（图9）：将样品造粒、过筛，称量后装入样品管，插入热电偶，经高温惰性气体吹扫，清洁样品表面；吸附氨气达饱和后，经惰性气体吹扫至基线平稳，设置仪器参数后，程序升温，采集谱图。

图9 H-ZSM-5分子筛的NH3-TPD表征

3 应用与实践

目前，该虚拟仿真实验已在我校应用化学、工业催化等专业的学生中进行了教学应用。实践表明，学生通过完成小晶粒ZSM-5分子筛的模拟合成、模拟表征，深入了解了实验仪器的三维立体结构、使用流程及注意事项等，增强了对催化剂制备和表征技术的整体性、全方位的认识，减少了误操作导致的损耗和危险情况。此外，该实验还加深了学生对多相催化理论知识的理解，帮助学生将所学的理论知识运用于实践。

小晶粒ZSM-5分子筛虚拟仿真实验的开设，拓展了实验教学的时间和空间，学生可以充分利用课程时间与课余时间，随时随地进行操作，培养了学生探索性学习习惯，提高了学生的学术素养和创新能力[15]。

4 结语

根据我校本科教育的实际情况，研制开发了小晶粒ZSM-5分子筛的虚拟仿真实验。该实验是在利用化学反应原理与大型仪器工作原理的基础上，结合计算机仿真技术和人机交互技术，再现了催化剂合成和表征过程，实现了 X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱仪（IR）、吡啶吸附红外光谱仪（Py-FTIR）、X-射线荧光光谱仪（XRF）、物理吸附仪、化学吸附仪等大型仪器的模拟操作。虚拟仿真实验的开展有效解决了因学时不够和实验条件限制而造成的本科生在多相催化领域中的核心技术和研究方法等方面能力缺失问题，强化了学生对抽象理论知识的理解和运用，提高了学生学习的兴趣和热情。未来将继续大力开发化学虚拟仿真实验，通过以虚补实的方式弥补实际实验教学中的不足，为建设具有高阶性、创新性、挑战度的“金课”[16]而不懈努力。