国家级一流本科专业建设背景下“科”与“教”协同作用培育高水平创新人才——以BiOI光催化降解甲基橙的实验为例

李晓微，秦来，邢其鑫，刘青,＊，张雷

1山东理工大学化学化工学院，山东 淄博 255000

2安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001

随着我国全面开启建设社会主义现代化国家新征程，高等教育在国家发展中扮演的角色就越来越重要。习近平总书记曾指出，“党和国家事业发展对高等教育的需要，对科学知识和优秀人才的需要，比以往任何时候都更为迫切。”高校作为人才培养的摇篮和科技创新的重要阵地, 必须坚定“创新是第一动力，人才是第一资源”的理念, 不断提升教育的整体水平，为我国现代化事业培养更多高水平高素质人才。

近年来，为深入贯彻和落实全国教育大会精神和新时代全国高校本科教育工作会议精神，教育部于2019年4月发布了关于实施一流本科专业建设“双万计划”的建设规划。一流专业的建设是我国针对高等教育的重要举措，自启动以来，各建设学科和专业所依托的高校高度重视[1-3]，从课程设置、教学计划以及科研平台的构建等方面都进行了探索和创新，激发了学科和专业发展的动力和活力，为培养高素质人才提供了强有力的支撑。

山东理工大学是山东省重点建设的以理工科为主的多科性大学，学校始终坚持科研与教学为中心。山东理工大学化学化工学院具有鲜明的办学特色和学科优势，其化学工程与工艺和应用化学专业入选2020年国家级一流本科专业建设点，学院通过科教融合将人才培养与科学研究相结合，鼓励学生进入课题组参与科学研究和创新活动，为提高学生的创造力和自主学习的能力搭建了一个很好的平台，其具体体现在如下几个方面：(1) 现挂靠在学院有多个高水平的研究中心和科研实验室；(2) 实验教学中心的仪器设备为本科生开放；(3) 定期邀请中国科学院院士、杰青和各专业学术带头人为本科生做专题报告，营造学术氛围，让学生了解不同研究方向的前沿领域，以实现科研创造新知，新知培养人才；(4) 以学生为中心，安排部分高年级的本科生参加由山东理工大学主办的第七届全国储能科学与技术大会暨2020淄博先进能源材料论坛，让学生身临其境与学术大师面对面的交流，以激发其探索和求知欲；(5) 综合考评中制定了相关的奖励政策激励学生自主参加科学研究；(6) 高水平的指导教师队伍使学生能够在国家级、省级、校级和院级大学生创新训练计划项目中选题立项；(7) 高素质创新人才的培养离不开导师的指导、关心和引领，因此制定了服务于科教融合的本科生班级导师制；(8) 建立了高层次的国际交流平台，与国外多所大学签订联合培养或本科生交流合作计划等等，以上这些举措和平台对一流专业的建设及科教协同育人均起到了积极的作用，当然，“科”与“教”协同作用培育高水平创新人才工作还存在一些问题，后续还有待进一步改进和完善。

本文主要以培养学生的“化学知识-创新能力-综合素质”为主线，在科教融合的指导思想[4-6]和研究传统化学实验的基础之上，将教学团队的科研成果引入本科实验教学中，开发了“BiOI纳米材料的制备及光催化降解甲基橙”的实验项目，该实验反应条件温和，操作简单，实施性强，能够很好地支撑教学。此外，将材料的结构表征与光催化性能纳入实验项目中，体现了无机化学、材料化学、催化化学、环境科学以及能源科学等学科知识的交叉，对学生知识面的拓宽和综合能力的提升均能起到极好的促进作用，与此同时还为学生毕业论文的顺利进行和研究生阶段的科研工作打下坚实的基础。该实验项目的开展，首先是实验前的准备，通过项目调研，文献检索与查阅了解国内外半导体光催化剂BiOI的研究背景和研究现状[7-13]，学习BiOI的制备技术和光催化降解机理，为下一步实验方案的设计和数据处理做好充分的准备，其总体实施方案如图1所示。

图1 实验项目的实施方案

1 实验部分

1.1 实验目的

(1) 掌握水热法制备无机纳米材料的方法和表征手段。

(2) 了解大型仪器设备的基本原理和操作方法。

(3) 理解BiOI光催化降解甲基橙的反应机理。

(4) 学会使用软件分析和处理实验数据。

1.2 实验原理

半导体光催化作为一种新型的“绿色技术”，其利用太阳能将环境中的有机污染物降解转化为对环境无害的物质，从而为我们提供一个绿色环保舒适的生活空间。然而，要实现这个过程关键在于寻找和设计新型高效的光催化剂。铋系化合物BiOI作为一种带隙较窄的半导体材料因其拥有独特的电子结构、良好的光学性能和催化性能等优点而成为光催化领域的研究热点。本实验采用简单的水热法制备BiOI，以模拟太阳光的氙灯为光源，所得产物BiOI为光催化剂，甲基橙的水溶液为模拟污染物考察BiOI的光催化活性。在光催化反应过程中，含有BiOI的甲基橙水溶液受到光照后，BiOI被激发产生光生电子e-和空穴h+，导带的电子与吸附在BiOI表面的O2发生氧化还原反应生成超氧自由基·O2-，·O2-作为活性物种对甲基橙进行降解，而价带的空穴则作为活性物种直接参与对甲基橙的氧化降解，光催化机理如图2所示。

图2 BiOI的光催化机理

1.3 实验试剂与药品

五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)，碘化钾(KI)，甲基橙(MO)，无水乙醇(C2H5OH)和去离子水(实验室自制)。实验所用试剂和药品均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司，使用前未进行纯化处理。

1.4 实验仪器

电子分析天平(梅特勒-托利多ME204)，磁力搅拌器(上海司乐仪器有限公司85-2)，超声波清洗仪(昆山舒美超声仪器有限公司KQ3200DE)，电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司DHG-9076)，高速离心机(上海安亭科学仪器厂TGL-10K)，真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司DZF-6020)，紫外-可见分光光度计(上海元析仪器有限公司UV-6100)，光化学反应仪(南京胥江机电厂XPA-7型)，反应釜，烧杯，量筒等。其他大型仪器设备见本文1.7小节。

1.5 BiOI纳米材料的制备

称取0.485 g的Bi(NO3)3·5H2O加入到20 mL的去离子水中，超声10 min后得到均匀分散的白色悬浊液，将20 mL浓度为0.05 mol·L-1的KI溶液滴入上述Bi(NO3)3·5H2O的悬浊液中，室温搅拌1 h后，所得混合溶液转入50 mL高压反应釜中，180 °C反应12 h，待反应釜自然冷却至室温，离心分离产物，然后用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤产物3-5次，最后60 °C真空干燥8 h得产物BiOI，制备过程如图3所示。

图3 BiOI的制备过程

1.6 甲基橙水溶液的配制

用电子天平准确称取10 mg的甲基橙固体于200 mL烧杯中，加入去离子水搅拌至完全溶解后倒入1 L容量瓶中稀释定容，配成10 mg·L-1的甲基橙水溶液作为模拟污染物避光放置待用。

1.7 BiOI纳米材料的结构表征

利用X射线粉末衍射(XRD)对样品BiOI的物相结构进行表征，仪器使用CuKα射线(λ= 0.15418 nm)，扫描速度为6 (°)·min-1，扫描范围15°-80°；X射线光电子能谱(XPS)通过PHI5000型X射线光电子能谱仪器测试；产物的形貌结构和元素组成通过扫描电子显微镜(SEM)观测；样品的比表面积通过ASAP 2020型氮吸附仪测得；光催化降解过程中甲基橙水溶液吸光度的变化利用上海元析UV-6100型紫外-可见分光光度计测定。

1.8 BiOI纳米材料光催化活性的测试

以500 W的氙灯(滤光片λ＞ 420 nm)为光源，产物BiOI为光催化剂，甲基橙的水溶液为模拟污染物评价所制备BiOI的光催化活性，具体步骤如下：分别向五支盛有10 mL浓度为10 mg·L-1甲基橙水溶液的石英管中加入10 mg的BiOI，将其置于XPA-7型光化学反应仪(自带循环冷凝水装置)中避光条件下充分搅拌1 h，使其达到吸附-脱附平衡，然后开启光源，每隔10 min取出一支石英管，将石英管中的悬浮液进行高速离心，上层甲基橙清液的紫外-可见吸收光谱及波长为464 nm处的吸光度通过紫外-可见分光光度计来监测，以确定甲基橙的浓度和降解率，其计算公式：

式中，D为降解率，C0为甲基橙的初始浓度，Ct为光照t时刻甲基橙的浓度，根据朗伯-比尔定律，降解率D也可以直接利用甲基橙的初始吸光度A0和光照t时刻甲基橙的吸光度At来计算，即：

1.9 实验过程中的注意事项

学生在实验过程中按照如下注意事项规范操作，不存在其他的安全隐患和危险。

(1) 样品制备过程中，禁止使用已变形的反应釜内胆。

(2) 反应釜使用前，须用稀酸溶液将反应釜内胆清洗一遍，将釜的内外附着物清洗洁净。

(3) 将溶剂和样品放入反应釜内胆中，要保证加料系数不能超过内胆容积的80%，同时检查所用的水热反应釜不锈钢釜套是否老化。

(4) 水热反应结束后待反应釜温度降至室温再打开处理样品。

(5) 实验结束后，要及时将反应釜及其内胆清洗洁净，以免锈蚀。釜体密封处要格外留意清洗洁净，并严防将其碰伤损坏。

2 结果与讨论

2.1 BiOI的物相分析

图4所示为样品BiOI的XRD谱图，从图中可以看出，所有衍射峰与BiOI的标准卡片完全吻合(JCPDS 73-2062)，没有出现任何杂峰，说明所得样品为纯相四方晶系的BiOI。在2θ等于19.4°，24.3°，29.7°，31.7°，33.3°，39.5°，45.8°，51.5°，55.3°处的衍射峰分别对应于(002)，(011)，(012)，(110)，(111)，(004)，(014)，(114)，(122)的晶面衍射。

图4 BiOI的XRD谱图

2.2 BiOI的微观形貌

利用扫描电子显微镜对BiOI的微观形貌进行表征，其SEM图片见图5，由图可知，所制备的BiOI呈不规则的纳米片状结构，片层厚度小于50 nm，宽度约100-800 nm。图6所示元素分布图和EDS能谱表明，所制备的样品含有Bi、O和I三种元素，此外，EDS能谱中Cu元素的峰是由SEM制样过程中所用铜片所致，由此进一步证实了BiOI的成功制备。

图5 BiOI的SEM图

图6 BiOI的元素分布图和EDS能谱

2.3 BiOI的XPS表征

XPS通常用于测定样品表面的化学组成和元素的化学状态，BiOI的XPS能谱如图7a所示，从图中可以看到Bi、O、I三种元素的存在。图7b是Bi 4f的能谱图，结合能为164.4和159.0 eV处的强峰分别归于Bi 4f5/2和Bi 4f7/2，说明BiOI中Bi以Bi3+的形式存在。结合能为530.0 eV处较强的峰对应于BiOI中的晶格氧，而531.5 eV处较弱的信号峰来源于O污染即表明有吸附氧的存在(图7c)。图7d为I 3d的XPS谱图，位于630.6和619.0 eV的信号峰属于I 3d3/2和I 3d5/2。

图7 BiOI的XPS谱图

2.4 BiOI的比表面积和孔径分布

为了探究BiOI的比表面积和孔径分布，我们对其进行了氮气吸附测试，其N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线分别见图8及插图，根据BET结果，片状BiOI的比表面积为13.63 m2·g-1，孔径分布相对较宽，孔径范围主要集中于2-51 nm。

图8 N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线(插图)

2.5 BiOI的光催化活性

以500 W的氙灯为光源，甲基橙为目标污染物来评价所制备样品BiOI的光催化活性，图9a为光催化降解过程中不同光照时间甲基橙的紫外-可见吸收光谱图，利用甲基橙最大吸收波长464 nm处的吸光度(表1)来计算得到光催化降解率随时间的变化曲线(图9b)，由图可知，在没有光催化剂BiOI时，甲基橙在光照50 min内降解率极低，而加入光催化剂BiOI后，光照10 min甲基橙的降解率为28%，光照50 min甲基橙的降解率可达91%，降解产物为CO2和H2O等无污染的小分子，此外，从图9b中的插图也可清晰地看出，光降解过程中，随着光照时间的延长，甲基橙的颜色逐渐变浅，50 min后甲基橙的颜色由黄色几乎变为了无色。

表1 甲基橙水溶液在不同光照时间的吸光度A (λ = 464 nm)和降解率(D)

图9 (a) 光催化降解过程中甲基橙的紫外-可见吸收光谱图；(b) 甲基橙的降解率随时间的变化曲线

2.6 BiOI的循环使用性能

为了研究BiOI在光催化降解过程中的稳定性，我们将光催化反应后的样品回收，经离心分离，去离子水和无水乙醇洗涤，60 °C干燥后重复进行了6次实验，结果如图10所示，经6次重复使用后BiOI对甲基橙的降解率为80%，与第1次相比降低了11%，这可能是由于样品在回收过程中损失所造成的，显示了BiOI良好的稳定性。

图10 BiOI的循环使用性能

综上，以硝酸铋和碘化钾为原料，通过水热反应制备的产物BiOI被成功用于光催化降解甲基橙的水溶液中，并表现出较高的光催化活性和循环使用性能。

3 思考题

(1) 什么是水热合成法，有哪些优点和不足？

(2) 影响水热合成反应的主要因素有哪些？

(3) 如何证明光催化降解过程中起主要作用的活性物种是超氧自由基·O2-和空穴h+？

4 实验教学要求与组织形式

4.1 教学要求

(1) 要求学生在课前根据实验目的和实验内容做好预习并撰写预习报告。

(2) 样品的制备和表征结束后，利用Origin软件作图，根据XRD、SEM、EDS、XPS和N2吸附等结果分析样品的形貌结构、元素组成、价态和比表面积等以更好地明确光降解过程中影响样品光催化活性的因素。

(3) 光催化降解甲基橙的过程中，能熟练应用朗伯比尔定律求算出甲基橙的降解率随时间的变化曲线。

(4) 实验结束后，每组以PPT的形式对实验进行概括总结，通过小组互评促进学生互相学习，取长补短。

4.2 学时安排

为保证教学质量，采用小班教学，一堂实验课参与学生的人数为10-15人，两人一组分组进行，整个实验过程分三个阶段完成：

(1) 第一阶段，样品的制备，水热反应前样品的准备需要2 h，水热反应12 h，样品的后处理洗涤1 h和真空干燥8 h，其中水热反应和真空干燥过程中分别指派2-3名学生轮流看守，以确保仪器正常运行和实验安全进行，因此，学生在制备样品的过程中实验操作所需的时间实际约为3 h (2 + 1)。

(2) 第二阶段，样品的结构表征约需4 h。

(3) 第三阶段，样品光催化性能的测试需4 h。

5 “科”与“教”协同作用在实验过程中的体现

本实验集实践性和探究性于一体，采取综合开放式模式，其实验内容紧密结合理论专业课和学科前沿，运用多种实验技术和仪器设备，使学生所学知识融会贯通的同时还提高了实验技能，培养了学生对科研的兴趣，具体体现在如下几个方面。

5.1 学生获取信息的能力

实验以“BiOI纳米材料的制备及光催化应用”为研究对象，在学习“文献检索”课程的基础上，与教学内容紧密结合让学生通过实践检索和查阅文献资料，了解BiOI光催化剂的特点和最新研究进展，自主设计实验方案，巩固、加深和掌握中英文数据库(如中国知网和Web of Science等)的检索方法，培养学生获取电子文献信息的能力，快速准确挑选出符合自己实验课题的资料，以增加知识量，开拓思路，提高信息整合能力和学习效率，为实验的顺利开展打下坚实的基础，同时也能够真正实现本科教学课程开设的目的——学以致用。

5.2 学生的实验技能

通过基础实验课程的学习，学生已掌握了一些基本的实验技能，在此基础之上将科研课题引入本科实验教学中，对学生实验技能的提升起到了很好的效果。首先，学生掌握了水热法制备纳米材料的实验技术；其次，实验过程中密切关注实验细节，提高了实验操作和实验记录的规范性；再次，实验结束后，学生对实验数据及时地分析、归纳和总结，找出影响实验结果的主要因素，从而使学生分析解决问题的能力得到“质”的飞越。

5.3 学生的综合素质

该实验考查了学生学习无机合成化学、波谱分析和纳米材料的制备等相关课程的情况，强化了理论知识与实验技术的综合运用，从较高层次上了解了化学实验中特殊的研究方法和手段，培养了学生严谨的科学态度、创新意识和团队合作精神，提高了学生的总结概括能力、语言表达能力和科研能力。

6 教学心得与反思

教育是国之大计，党之大计。在实验教学过程中，我们将思政教育贯穿其中，培养了学生踏实严谨、爱岗敬业的职业道德和勇于探索、求真务实的科学精神，使其成长为一个爱国爱党且具有社会责任感的人。

在能源短缺和环境污染日益加剧的今天，将纳米材料用于光催化降解污染物不仅增强了学生的环保意识和可持续发展意识，而且使学生认识到了自然环境与人类社会发展的必然性。BiOI光催化降解甲基橙属于综合性实验，其操作简单、成功率高、知识面覆盖广，符合高年级专业的课程标准。BiOI的制备，重点考查了学生的实验动手能力；BiOI的结构表征与光催化性能的测试，着重考查了学生对理论知识的理解以及运用理论知识解决实际问题的能力。通过学生课堂上的表现和课后对实验的总结，发现学生在实验过程中能够规范操作，对基本的实验技能掌握较好，但是对图表的制作、数据的处理以及分析方面较差，这主要源于学生在平时的学习中只注重于书本知识，没有做到理论联系实际和对所学专业知识的融会贯通，因此在后续的教学工作中还需进一步强化这方面的锻炼。

此外，在实验过程中，我们改变了以往实验课人数众多且以单纯上交纸质实验报告的教学方式，采取两人一组开展实验，实验结束后各小组以PPT的形式对实验进行汇报总结，增强了学生的主观能动性，加强了老师和学生、学生和学生之间的互动、交流与沟通，对自主学习能力的提高起到了极大的促进作用。学生普遍反映，该综合创新实验相较于基础实验教学中常规的实验内容来说收获颇多，让他们从真正意义上认识到了科研的基本过程。

7 结语

在信息化时代的今天，我们始终坚持以习近平新时代科技创新思想理论体系为指导，牢记习近平总书记在主持召开科学家座谈会上提出的“四个面向”：面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求和面向人民生命健康，无论是在教学还是科研工作中，要真正实现这些伟大的目标就必须将“科”与“教”相结合，只有科教结合协同作用才能培养学生的创新能力，这也是我校“化学工程与工艺”和“应用化学”等国家级一流专业建设的必然选择。

本实验项目将纳米材料的制备与光催化性能的研究引入本科实验教学中，不但锻炼了学生获取信息的能力，而且加深了学生对理论知识的理解和掌握，激发了学生对科研的兴趣和积极性，提高了学生的实验技能和分析解决问题的能力，后续我们将继续强化“科”与“教”的结合，争取构建国内外具有竞争力的一流专业，培育国家和社会所需的高水平创新人才。