铁酸铋光催化性能科研引导型开放实验的设计

张 健，毛巍威

(南京邮电大学 理学院应用物理系，江苏 南京 210023)

随着全球新一轮科技革命的深入推进，科学研究能力成为顺应世界科技发展的需求，高等院校教育的目标也随之做出了重大的调整和改革，以研究探索科学问题为核心的教学模式为实验教学提出了更高的要求，因此需要逐步加强开展以科研课题为引导的开放式实验教学，强调实验过程中的自主能动性培养，创新性设计和研究性思考，培养学生的创新思维和科学研究精神，使之在今后的学习工作中拥有善于探索和勇于创新等内在驱动力[1]。科研引导型开放实验即通过科研课题引导开展的开放式综合实验教学，具体的实施方式就是指导教师在科研引导型教学理念的指导下，选择性的拆解出科研课题的部分内容，将前沿科学研究问题引入本科生的教学课堂，并通过开放式实验教学的方式，对传统的实验教学进行改进，培养学生的科研素养和研究能力[2]。本文基于从科研课题中提炼的实验“铁酸铋尺寸控制及光催化性能”为例，阐述科研引导型开放实验教学的实践。

1 实验教学设计

水体污染是环境污染的重要部分。有机染料对水体的污染是目前工业废水排放的一种主要的污染源，有机染料分子具有自然降解难、对生态环境危害大等特点，已经成为水体污染治理研究中的一个焦点问题。将可见光响应的光催化剂这一科研前沿课题融入开放实验中，可以把最新的科研成果补充进传统的实验教学中，改变传统实验的滞后性、思维固化等不利因素，使教学内容更具有前沿性。本实验采用微波水热法制备铁酸铋材料的纳米复合结构，并研究其光催化性能。

2 实验内容

采用微波水热法制备铁酸铋纳米立方。0.486 g 五水硝酸铋、0.405 g 九水硝酸铁、2.122 g 碳酸钠以及8.988 g 氢氧化钾依次加入到20.0 mL去离子水中，搅拌至完全溶解。加入100 mL微波消解罐中，分别在160 ℃、180 ℃、200 ℃ 下反应0.5 h。反应结束后，沉淀过滤，用去离子水离心洗涤3次，得到的样品在60 ℃烘箱内烘干。根据反应温度不同对样品进行命名：160 ℃、180 ℃、200 ℃得到的样品分别命名为BFO-1、BFO-2、BFO-3。

铁酸铋样品分别采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外-可见吸光谱在紫外-可见分光光度计表征。光催化降解罗丹明B：300 W 氙灯配置420 nm截止滤光片作为光源，50 mg 催化剂分散在100 mL溶液中(0.02 mmol L-1)，每辐射30 min取一次溶液(3 mL)，采用分光光度计量化降解效果。

3 实验结果与讨论

图1展示了不同水热温度下铁酸铋纳米立方的形貌图。

(a) BFO-1

图1(a)、(b)、(c)分别对应样品BFO-1、BFO-2以及BFO-3。通过对比，160～200 ℃，产物均为纳米立方颗粒，唯一不同的是粒径分布。由图1d给出的粒径分布量化数据可以看出：样品BFO-1和BFO-3样品的粒径分布范围较宽，最多的尺寸分布在30 nm 左右，其次是60～70 nm；而BFO-2样品粒径分布范围最窄，大部分集中在40～60 nm的范围。这一变化是由反应温度的差异造成的，在微波水热法制备样品时，温度对纳米晶体的均匀成核起着重要作用，温度过低时，部分晶核生长动力不足，生长缓慢，而少部分首先完成成核的纳米晶又会过快的增长，造成BFO-1粒径分布不均的现象；当温度过高时，体系能量超过晶体成核和生长势垒，导致体系能量过载，抑制成核缓慢的晶核生长，同样也造成了粒径分布不均的现象[3]。体系生长均匀的铁酸铋纳米晶的反应温度是180 ℃。借助微波水热反应体系，铁酸铋纳米晶的生长时间仅需0.5 h，非常适合本科生的实验设计要求。

图2是三种铁酸铋样品的粉末X射线衍射谱图。

衍射角/°

通过对比可以清晰地发现三种样品的晶体衍射峰位置完全一致，与菱方R3c型的铁酸铋标准谱图(JCPDS 86-1548)完全对应[4]。9个明显的衍射峰衍射角度由低到高依次对应铁酸铋(012)、(104)、(110)、(006)、(202)、(024)、(116)、(214)以及(220)晶面。但仔细观察不难发现，随着反应温度的升高，样品的衍射峰也在增强，说明在较高的反应温度下，晶体的结晶性更好，这也与大多数半导体纳米晶的生长结晶规律相符[5]。晶体的微观缺陷点位往往被认为是光生电子-空穴的复合中心，提升铁酸铋纳米晶体的结晶性从机理上看有利于其作为催化剂应用时催化效率的提升。

制备出的三种铁酸铋分别用作光催化剂，考察其光催化降解有机染料罗丹明B的性能。评价一种光催化剂的性能，首先要考虑该催化剂的吸光范围(光响应范围)，例如研究较早的光催化剂二氧化钛[6]，其宽带隙的本征属性只允许其吸收小于400 nm的紫外光，限制了其在光催化上的应用，对可见光有较好响应的窄带隙半导体成为新的热点[7]。铁酸铋吸收边在600～650 nm，带隙在～2.0 eV，具有很好的可见光吸收能力。图3为铁酸铋样品的紫外-可见吸收谱图，强吸收集中在低于600 nm的范围。三条吸收曲线几乎重叠，通过局部放大发现BFO-2样品在550～750 nm范围内吸收能力略强。纳米立方尺寸均匀有利于光在体系内传播过程中的多重反射和散射作用，从而提升光的吸收能力。

波长/nm

将三种铁酸铋样品在同样的测试条件下进行可见光催化降解罗丹明B溶液的应用实验 (如图4 所示)。

t/min

首先，未加入任何催化剂的测试体系作为空白对比，发现可见光辐射3 h后，罗丹明B浓度几乎未发生变化，说明罗丹明B溶液在可见光照射下是非常稳定的。其次，对于三个铁酸铋样品，光源辐射的前1 h，罗丹明B溶液浓度减小显著，其中降解效果最好的是BFO-2样品，1 h 辐射后罗丹明B溶液浓度降低到52%。经过连续4.5 h 的辐射，效果最佳的BFO-2样品降解罗丹明B溶液浓度至27 %，明显优于BFO-1(30 %)和BFO-3(34 %)样品。BFO-2催化剂样品展示出相对最优的催化效率。原因可归纳为以下两点：一是可见光的利用效率更高，这一点从图3的紫外-可见吸收谱图可以证实；二是均匀的纳米颗粒的催化体系中，更有利于电荷的均匀分布，降低光生电子-空穴复合的几率。

4 实验教学效果

该实验的设计具有方案清晰、设备简易、周期较短、实验结果开放、理论与实验相结合的明显优势。学生通过自主学习、阅读文献完成前期课题调研工作，随后在开放时间段，学生在指导教师的指导下进行操作，制备样品和测试性能。对于实验中反应条件，学生可进行灵活调控，比如控制反应温度不变，考察反应时间；又比如控制反应温度和时间均不变，考察反应物的投料比等，再考察样品光催化活性的控制和影响因素。最后通过小组讨论分析开放的实验结果。通过这种科研引导型开放实验，使学生熟悉科学研究过程，养成独立思考、自主实践的意识，培养学生的科研创新能力。

5 结 语

习近平总书记指出，创新是引领发展的第一动力。抓创新就是抓发展，谋创新就是谋未来。科研引导型开放实验将科研课题提炼转化为本科生实验教学内容，立足科学前沿问题，通过课题引导、自主学习、开放实验，达到了科研训练的效果，激发学生科研兴趣、培养学生创新思维，为国家培养以创新为导向的复合型人才打下良好的实践基础。