开放实验设计:水热法制备叶片状Fe掺杂Co(OH)2析氧电催化剂

李兵 张永兴 刘亲壮 李子涵 鲁青 潘申成

摘 要：设计一款水热法制备叶片状Fe掺杂Co（OH）2析氧催化剂开放实验.教学流程： 前期准备→实验过程 →实验结果分析和数据处理.教学实践表明，开放实验可以提升学生对科研实验的兴趣，增加学生的知识储备，培养学生独立思考能力、团队合作能力和实践能力.

关键词：水热法;电催化;催化剂;开放实验

[中图分类号]G642   [文献标志码]A

Abstract：In this paper，an open experiment was designed to synthesize leaf-like Fe doped Co（OH）2 electrocatalyst by hydrothermal method.The teaching process included preparation，experimental process，analysis of experimental results and data processing，etc.The teaching practice shows that open experiment can not only enhance students' interest in scientific research experiment and increase their knowledge reserve，but also cultivate students' independent thinking ability，teamwork ability and practical ability.

Key words： hydrothermal method;electrocatalysis;catalyst;open experiment

实验教学是提高学生创造力的有效载体，设计开放实验是培养创新型人才的有效手段.[1-4]利用科研平台和专业实验室推行开放实验，进行以创新人才培养为目标的实践教学改革，可以有效提高学生的能力，充分发挥科研仪器在人才培养中的作用.[5]开放实验采用教师指定题目和学生自主选题两种方式，根据学生层次，合理控制实验难度，具有很大的灵活性. 通过开放实验，学生可以将理论知识应用于实践，及时追踪国内外新材料发展的趋势，掌握材料合成的工艺，深化对材料科学的认识.

随着化石能源的不断消耗以及环境的逐渐恶化，探索可以替代传统化石燃料的新型能源显得尤为重要.目前已经被人类利用的新能源包括太阳能、地热能、风能以及氢能.氢气具有能量密度高、燃烧无污染、可再生等优点，得到了研究者的普遍关注.[6-7]目前工业上制备氢气的方法依赖于化石燃料，大气污染与化石能源消耗较大，电解水制氢可以完美地避开这一问题.选用合适的电催化剂可以有效降低电解水能耗，极大提升电解水的效率.[8-9]目前已知的最好的电解水催化剂是RuO2和IrO2，但是由于其价格昂贵而无法大规模应用，寻找替代品仍然是亟待解决的问题.Co（OH）2具有类似水镁石的结构，晶格中羟基离子呈六方密堆积，Co离子填充于两层羟基离子的八面体间隙中，近年来在电催化分解水方面被广泛报道.制备Co（OH）2有多种方法，水热法具有操作简单、成本低廉、反应条件可控度高等优点，成为材料制备中使用最广泛的方法之一.笔者将构建水热法制备叶片状Fe掺杂Co（OH）2析氧电催化开放实验教学模式，让学生通过开放式实验，了解国内外材料科学的热点研究方向，掌握水热法制备材料的流程，熟悉测试表征仪器的使用.

1 实验流程

实验目的 使用水热法制备叶片状Fe掺杂Co（OH）2析氧电催化剂，掌握水热法制备材料的详细流程，熟悉SEM和XRD的基本原理和相关操作，学会电化学工作站的使用，提高对实验数据进行整理分析的能力.

前期准备 学生提前调研资料，查找文献，熟悉Co（OH）2材料的物理化学性质和晶体结构，详细了解电催化分解水的理论背景与当前环境下的研究进展，设计样品制备最佳方案.

实验过程 第一步，合成实验.熟悉实验室的一系列仪器（高压反应釜，磁力搅拌器，烘箱等），学习仪器的基本操作，完成合成实验.第二步，对样品的结构、形貌进行测试表征，熟悉掃描电子显微镜（SEM）和x射线衍射（XRD）的原理，掌握相关仪器的操作方法.第三，对材料的电催化析氧性能进行表征，掌握线性扫描伏安测试法以及循环伏安法等测试方法，熟练使用电化学工作站.

实验结果分析和数据处理 使用软件绘图分析实验数据，撰写实验报告，总结实验过程.

2 催化剂材料的制备及表征

2.1 实验试剂

Co（NO3）2·6H2O（国药集团，分析纯），FeSO4·7H2O （国药集团，分析纯），无水乙醇 （国药集团，分析纯），聚乙烯吡咯烷酮 （PVP，国药集团，分析纯），去离子水.

2.2 Fe掺杂Co（OH）2的制备

泡沫镍（NF）预处理，去除表面氧化物.将泡沫镍放置于0.5 M的稀盐酸中浸泡20分钟，超声处理5分钟;无水乙醇浸泡并超声处理5分钟;去离子水浸泡超声5分钟;取出室温晾干待用.称取2 mmol的Co（NO3）2·6H2O和0.1 mmol的FeSO4·7H2O，放置于干净的烧杯中，加入30 mL无水乙醇，置于磁力搅拌器中搅拌10分钟，加入0.25 g PVP搅拌30分钟，将混合溶液转移到50 mL容积的反应釜中.预处理好的泡沫镍放置于反应釜中，密封后放入烘箱，180 ℃环境持续反应24小时，待冷却后取出.将负载样品的泡沫镍用去离子水和乙醇各冲洗三次，晾干待用，反应釜底部的沉淀用去离子水和乙醇各离心洗涤三次，真空干燥6小时，收集备用.

2.3 样品的表征

SEM（JSM-6610L，JE-OL，日本电子）用来观察样品的表面形貌， XRD（PANalytical X'pert Cu Kα， λ=1.5406 ，荷兰PANalytical公司）分析样品的晶体结构，电化学工作站 （CHI 760E，上海辰华）研究样品的电催化析氧活性.电化学工作站采用三电极体系，碳棒（C）为辅助电极，银/氯化银（Ag/AgCl）电极为参比电极，负载有样品的泡沫镍为工作电极， 泡沫镍尺寸为1 cm×1 cm，电解质为1 M的KOH溶液.

3 结果与讨论

图1（a）和（b）分别是Fe掺杂Co（OH）2在低倍和高倍下的SEM图像，从图中可以观察出Fe掺杂Co（OH）2呈叶片状生长在泡沫镍上，大小均匀，叶片长约10 μm，宽约4 μm.图2是Fe掺杂Co（OH）2的x射线衍射图谱，在2θ为17.6°和39.2°时，出现两个较强的衍射峰，对应着样品的（001）和（101）晶面.

图6为Fe掺杂Co（OH）2材料分别在20，40，60，80，100，120，150 mV/s扫描速度下的循环伏安（CV）曲线.Fe掺杂Co（OH）2材料的双电层电容为1.17 mF/cm2，如图7所示.

4 结语

教学实践表明，开放实验极大地提高了學生的实验兴趣，增加了学生的知识储备，培养了学生独立思考能力、团队合作能力和实践能力.通过开放实验，学生将理论知识加以应用，让专业知识不再局限于书本之中，提升了学生的学习兴趣，培养了学生的创新思维. 教学过程始终贯彻以学生为中心的理念，着重培养学生的调研文献能力、知识应用能力、团队协作能力、动手能力以及实验数据的分析汇总能力.通过开放实验，学生掌握了材料合成的工艺，深化了对材料科学的认识.

参考文献

[3]陆现彩，伊琳，赵连泽.常见层状硅酸盐矿物的表面特征[J].硅酸盐学报，2003，31：59-65.

[1]刘永智，解立强，梁盛德，等.开放与传统：两种范式物理实验教学比较研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2011（1）：71-72.

[2]宋杰光，王秀琴，刘悦，等.材料类专业创新型人才的培养路径[J].西部素质教育，2019（22）：197.

[3]吕晓霞，韩丽平，刘志慧.材料科学专业开放性实验教学的体会[J].中国现代教育装备， 2020，343：112-113.

[4]程化，卢周广，叶飞，等.材料专业开放性设计实验教学的探索与实践[J].广州化工，2020，48（19）：125-127.

[5]孙爱丽，刘艳，张泽明，等.大型仪器参与开放性实验教学的机制初探[J].科教导刊，2020（26）：125-127.

[6]任向荣，周琦.纳米多孔Ni和NiO的制备及电催化析氧性能[J].高等学校化学学报，2020（1）：162-174.

[7]王伟强，姚露露，顾佳俊.ZnO增强MxCo3-xO4电催化析氧性能研究[J].中国材料进展，2020，（3）：200-205.

[8]高文君，高腾飞，王梦娇，等.多孔NiS2和Ni2P纳米片的制备及其析氧催化性能研究[J].化工新型材料，2020（2）：89-92.

[9]俞娟， 李兵， 潘申成， 等. 水热法制备La2O3微球及其电催化产氧性能研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2019（4）： 30-33.

编辑：吴楠