本科药学相关专业光催化实验教学的构思

韩志钟，张 倩，李春艳

(福建医科大学 药学院，福建 福州 350122)

光催化指利用光能来激发某类材料，使材料中的电子产生跃迁，经过一系列反应得到活性分子，起到催化作用。光催化具有高效、环保、成本低、所需设备简单等优点，已经被广泛应用于环境、能源、医学等领域，比如光催化杀菌、光催化抗肿瘤和药厂的污水处理等。物理化学是药学专业的重要课程，而光化学反应与催化作用是物理化学中重要的章节。光催化涉及光化学反应与催化作用两个方面。2016年，高等学校化学类专业教学指导委员会根据2013年制订的《化学类专业教学质量国家标准》对化学理论和实验教学内容进行了细化和拓展，并制订了《化学类专业化学理论教学建议内容》[1],建议将光催化加入“物理化学”的催化作用部分相关教学中。因此，在物理化学教学中加入光催化是形势所趋。它可提高学生对物理化学光化学反应和催化反应的理解，激发学生学习主动性，增强学生的创新思维。针对目前已有光催化本科实验设计存在的不足，笔者结合光催化科研经历和本科药学相关专业物理化学教学经验，根据本科药学相关专业的培养计划和教学大纲，考虑本科实验室的实验条件，设计光催化降解金霉素实验，应用于本科药学相关专业物理化学实验教学。

一、开展光催化实验的意义

(一)加深学生对理论知识的理解，拓展新的知识点

光催化剂在光照下产生激发态电子，体现了光化学反应的第一定律，只有吸收光才能引起光化学反应，也表现物质结构章节中电子的跃迁。通过光照前后的对比，加深学生对光化学反应的热力学性质的理解，即光化学反应的方向与ΔG大小无关。根据后期数据的处理，展示催化反应的动力学性质。光催化涉及光化学和催化反应，必然具有其特有的性质。比如，催化反应的一个重要特征就是不改变化学平衡，不能使热力学上无法实现的反应产生，但在光化学反应的作用下，可以发现热力学上不允许的催化反应依然可行。这样有利激发学生的思维，思考知识点之间的关联，把握知识点的内涵。

(二)紧跟科研前沿，培养创新能力

光催化是交叉学科的一个研究热点，开展光催化实验能让学生接触前沿科研，扩展学生的知识面，而不只是局限在课本与课堂。实验教学的内容以科研问题为导向，结合药学专业背景，介绍先进的仪器表征手段与前沿学科的发展，提升学生创新能力。实验类型可设计为线上线下混合式教学，以学生为主体，发挥学生学习主动性和积极性；教师作为指导者，引导和把控实验方向，提供资料检索途径，指导实验操作，协助分析实验结果，做好学生的“科研向导”。以问题、培养目标和教学效果为导向，以创新教育为契机，结合专业背景，优化实验方案，让学生自主设计实验流程，参与到实验教学中，化被动为主动，增强课堂教学质量，培养创新能力[2]。

(三)增强学生对培养方案的理解

药学相关专业的学生容易忽略“物理化学”在药学科研中的基础性作用，认为与专业关联较弱，而且“物理化学”课程理论性强，较难理解，从而质疑开课的必要性。该实验相对于常规的物理化学实验更具有科研导向性，且与药学专业密切相关。该实验以光催化降解药物残留为引子，使学生理解光催化的意义，为后续开展光催化灭菌、光催化抗肿瘤以及药厂污水光催化降解处理等打下良好的基础。学生通过该实验能更加理解“物理化学”的重要性以及与药学的关联，能够更积极地投入“物理化学”课堂学习。

二、现有光催化本科实验教学设计存在的问题

目前，本科教学涉及的光催化内容较少，在药学相关专业课程中基本没有。虽然光催化实验教学的文献报道较多[3-6]，但实验教学设计仍存在一定的问题。

(一)实验内容多，要求高

在已报道的文献中，实验的设计基本都比较复杂，涵盖了光催化剂的合成和表征、光催化条件优化、光催化实验过程与数据处理等，涉及的学科较多，特别是材料表征所需要的大型仪器的操作，需要学生有一定知识储备和仪器操作能力。而且要求学生能够对所获取的数据进行分析，基于本科学生的知识储备，特别是本科药学专业学生，这样的要求显然超出大纲要求。因此，文献中的实验方案实际上只适合本科毕业设计环节，不适合本科实验课堂教学。

(二)课时偏长

由于实验设计方案涉及内容较多，课时要求往往较长，甚至要求达到20学时[7]，正常的本科实验教学无法满足。比如，我校物理化学实验为独立开课课程，总课时才48学时，一些医学院校的物理化学实验只是包含在理论教学课程中，无法实现长课时的实验教学。

(三)缺少针对药学相关专业的实验方案

目前，针对化学和材料专业学生的教学实验，涉及较深的化学理论、材料知识，对材料的结构表征和仪器的使用要求较高，不符合药学专业的培养计划和课程设计要求；而针对药学相关专业的光催化实验设计未见报道。

(四)缺少实验教材

虽然已有光催化实验的文献报道，但多数只停留在理论设计层面，未进行实际教学实践，是否适合本科实验教学仍是未知数。目前，已出版的本科阶段“物理化学实验”教材均未含有光催化相关实验内容。

三、应用于本科药学相关专业的光催化实验构思

笔者结合自身的光催化科研经历和药学本科物理化学的教学经验，设计了适合药学相关专业本科教学的光催化实验教学方案。

(一)光催化实验教学的总体思路

本科教学实验的设计应该遵循教学大纲，符合授课目标的知识结构，贴近专业要求；同时受教学课时、场所和设备的影响，需要进行课前验证，充分考察整个实验的时间要求、实验流程，包括催化剂的制备方法、催化剂和目标降解物的种类、催化剂和目标降解物的浓度和相关配套设备的选择。实验内容应该贴合专业要求，针对药学相关专业学生设计光催化降解药物残留实验，提高学生对药厂、医院等污水处理方法的了解，而目标物选取常见的抗生素类药物——金霉素，进而提高学生对这类药物结构分解的认识。通过本实验可以让学生掌握光催化降解药物分子的基本原理与实验方法，懂得实验数据处理方法，并分析光催化反应动力学性质；了解纳米氧化物光催化剂的制备方法及表征手段。

“物理化学”课程为药学专业的基础课，实验课作为理论课程的一部分，一般课时不长，不具备综合性实验的条件，教学时长以4～6学时为佳。本实验可作为设计性实验，采用混合式教学的方式为学生提供相关资料和获取途径，让学生通过自主学习，理解实验原理，构思实验方案，指导教师进行指导修订，充分调动学生的积极性和创新力，达到开展此实验的目的。

(二)实验原理的构思

实验是理论教学的延伸，理论是实验教学的基础。实验原理是实验开展所依赖的基石。光催化涉及光化学和催化作用，属于化学动力学章节内容，因此，教师既要介绍光化学反应过程和催化降解产生的机制，也要考察其动力学模式和反应速率方程[8]。

光催化是指光源的辐射激发催化剂，将光能转化为化学能，进而催化反应。它同时结合了光化学和催化反应的特点。首先，光催化反应方向与系统的吉布斯自由能的变化没有必然联系，这就是典型的光化学的特征。但如果一个光化学反应系统没有催化剂的参与就不是光催化，而是一般光化学反应。因此，光催化剂是光催化反应的重要组成部分。光催化剂在光照下形成电子-空穴对，电子攻击溶解氧、H2O分子等产生羟基自由基、过氧自由基和单线态氧等强氧化性基团；强氧化性基团和空穴进而氧化降解有机分子，达到完全或部分矿化，产生CO2和H2O，从而彻底降解有机物，并避免二次污染，起到净化环境的作用。利用光催化技术可进行污水处理，降解染料分子、药物残留、石油以及农药残留等有害有毒物质。强氧化性物质可杀死细菌、肿瘤细胞，起到抗菌或者抗肿瘤等作用。

以常见光催化剂TiO2为例，演示其光催化降解过程：

TiO2+hν→TiO2(e-)+TiO2(h+)

(1)

(2)

(3)

·OOH+TiO2(e-)+H+→H2O2+TiO2

(4)

H2O2+TiO2(e-)→·OH+OH-+TiO2

(5)

·OH+Dye→Oxide

(6)

TiO2(h+)+Dye→Oxide+TiO2

(7)

考虑浓度、温度和表面吸附等影响，大部分的光催化反应动力学符合L-H模型[9]，对反应物而言，其反应速率遵循一级反应规律，也就是浓度对数(lnc)与时间(t)成线性。根据朗伯-比尔定律，其他条件保持不变的情况下，浓度与吸光值成线性，因此，可通过测量被降解溶液的吸光度的变化考察浓度随光照时间的变化。

(8)

其他条件不变时，吸光度A与目标物的浓度成正比，则(8)式化成：

(9)

(三)实验操作设计

实验课内容包括实验原理讲解、实验步骤介绍、仪器操作演示以及学生的实际操作过程。而实验操作部分是整个实验课的主体，是学生提升动手能力的过程，占据实验课的大部分学时。该部分课时受制于实验步骤的内容和复杂性，因此，整个实验的设计要符合课时要求。

光催化实验操作主要涉及光催化剂的制备、表征以及光催化降解的测试。而对于催化剂的合成及表征部分，所采用的方法和技术更多地涉及结晶化学和材料学的知识，考虑到专业背景、课时要求，在实际教学过程中，主要以介绍为主，不要求实际操作。通过教师介绍，让学生了解光催化剂常见的制备方法和表征手段。

光催化效果测试应体现出光化学反应和催化反应两个过程，在实验操作中应设计光照和避光、光催化剂添加和未添加的对照实验。通过光照和避光对照实验，让学生理解光化学反应中第一定律的重要性，光化学反应与热力学反应的不同，以及利用光量子的辐射，能够使热力学非自发的反应得以进行。通过有无光催化剂的实验，让学生区分一般光化学反应和光催化反应的区别；通过改变光催化剂的浓度、金霉素的初始浓度等，让学生理解光催化所涉及的化学动力学理论。实验步骤可按如下设计。

1.光催化剂TiO2的制备。采用钛酸四异丙酯作为前驱物合成TiO2。用移液枪吸取0.660 mL钛酸四异丙酯逐滴加入0.687 5 g/L EDTA异丙醇溶液中，用磁力搅拌器搅拌10 min，将反应物移入含聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜内，在200 ℃条件下反应2 h。产物用无水乙醇进行洗涤，在60 ℃条件下干燥，在450 ℃下煅烧0.5 h。利用X-射线粉末衍射、电子显微镜表征TiO2的结构，采用红外光谱、紫外-可见漫反射光谱测试材料的谱学性质。在实际教学中，这部分不进行操作，学生只需了解操作过程及相关仪器的操作即可。

2.光催化测试。首先，配制一定溶度的金霉素溶液，取40 mL加入100 mL石英杯中，加入一定量的TiO2，并用HNO3和NaOH调节pH为9.0。避光下充分搅拌30 min，使金霉素达到吸附平衡(此时金霉素浓度为c0)， 鼓入空气使溶液中的催化剂为悬浮态，取样测试其吸光度A0。采用氙灯照射，波长范围250～380 nm。在室温下，每隔10～20 min取样，离心5 min(转速为10 000 r/min)，取上层清液，利用紫外-可见分光光度计测定金霉素的吸光度At，由此计算降解金霉素的反应速率。按表1进行对照实验，充分考察光催化剂、光照和反应物浓度等影响因素，展示光催化过程及动力学特性。

表1 光催化剂和金霉素的用量

(四)教学手段的应用

光催化反应是基于光子的辐射、电子的跃迁以及能量的转化，理论性较强，涉及微观的反应，学生较难理解。因此，在实际教学过程中，可利用虚拟仿真模拟光催化过程，可将光催化剂具体化，而光生电子和空穴拟人化，形象展示光生电荷的生成和能量的转移，并氧化降解有机分子，从而加深学生的印象。同时，利用虚拟平台模拟纳米催化剂的制备过程，通过PPT展示制备方法，省去该部分操作时间，可缩短课时，使其符合设计时长(图1)。

图1 光催化反应过程示意

(五)实验教材的编写

实验教材的编写要适合本科药学相关专业的光催化实验，进行充分的预实验，并在实际教学中收集教师和学生的反馈意见，进行实验方案优化，达到本科实验教学的要求，最终编入教材。本校物理化学实验教学组已于2014年出版了相关实验教学教材[10]，将于近期进行修订再版，其中增加了光催化降解残留药物实验，可为其他医学院校的物理化学实验教学提供借鉴。

总之，对于应用于本科药学相关专业的光催化实验设计，应该根据药学专业特点，依据培养方案和教学大纲，考虑本科实验教学的实验场所、实验设备和教学课时等因素的影响。在教学实施过程中，要充分地利用先进的教学理念和教学手段，调动学生自主学习的积极性，提高学生的创新意识。