設(shè)計電化學綜合實驗 培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力

李 鵬，鐘艷飛，黃莉萍，項 東，袁孝友

（安徽大學 化學化工學院，安徽 合肥 230601）

電化學實驗是高等學校應(yīng)用電化學專業(yè)、新能源材料與器件等相關(guān)專業(yè)實驗教學的重要基礎(chǔ)課，也是鞏固電化學理論知識和提高電化學實踐技能的重要途徑，對于專業(yè)人才的培養(yǎng)及專業(yè)建設(shè)起到至關(guān)重要的作用[1-6]。

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，是社會發(fā)展的動力源泉。然而，有限的化石燃料資源與環(huán)境污染問題使開發(fā)新能源變得日益迫切。質(zhì)子交換膜燃料電池由于其高的能量密度、環(huán)境友好等特點，被認為是新一代的電化學能量轉(zhuǎn)換裝置[7]。迄今為止，貴金屬鉑（Pt）仍然是直接甲醇燃料電池陽極氧化反應(yīng)最理想的催化劑。但鉑催化劑價格昂貴且易催化劑中毒，嚴重阻礙了直接甲醇燃料電池的實際應(yīng)用。目前，將貴金屬Pt與含量豐富的非貴金屬合金化，利用金屬間的協(xié)同作用，構(gòu)建Pt基合金催化劑[8-15]，有望實現(xiàn)這一目標。

設(shè)計以PtCu合金催化劑制備與甲醇電催化氧化為內(nèi)容的綜合性實驗項目，將納米材料電催化的研究成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，服務(wù)本科教學。取消照單抓藥式的實驗項目，增加綜合性創(chuàng)新實驗內(nèi)容，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[16-21]。研究性實驗可培養(yǎng)學生綜合運用知識、使用儀器及實踐動手能力，激發(fā)學生的學習興趣，強化專業(yè)基礎(chǔ)，鞏固專業(yè)思想，提升學生自主創(chuàng)新意識和能力。

1 獨立設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)合作創(chuàng)新意識

將實驗內(nèi)容按照材料制備、性能表征、數(shù)據(jù)處理分為三個模塊，學生分組，分工合作，開展文獻調(diào)研、實驗路線設(shè)計和具體方案實施。在探索合成PtCu納米催化劑的實驗環(huán)節(jié)，學生可充分運用無機化學及納米材料合成方面的知識，進行實驗方案設(shè)計，加強了對納米材料成核與生長過程的理解。通過實驗設(shè)計，鍛煉了學生的綜合運用知識能力和動手能力，培養(yǎng)了學生的團隊合作精神和科研創(chuàng)新能力，為學生進一步的學術(shù)深造和科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。

通過中英文文獻調(diào)研，小組討論，自主設(shè)計實驗方案。經(jīng)過不斷探索，最終制備出PtCu納米顆粒。并獲得其合成方法：將10.0 mg乙酰丙酮鉑，2.2 mg氯化銅，35.6 mg抗壞血酸，18.5 mg十六烷基三甲基溴化銨，均勻分散在裝有3 mL油胺和2 mL十八烯的玻璃瓶中，待超聲處理30分鐘后，將其放置于油浴中加熱至170℃，保持6 h。待其自然冷卻至室溫后用環(huán)己烷/乙醇混合溶液洗滌,通過高速離心收集產(chǎn)物，最終獲得PtCu納米顆粒。將分散在環(huán)己烷中的PtCu納米顆粒與活性碳混合，超聲處理1 h，經(jīng)過離心分離得到PtCu/C催化劑，再用乙醇/乙酸混合溶液進行洗滌，室溫干燥備用。

2 掌握現(xiàn)代測試方法，學會解析處理數(shù)據(jù)

學生在老師的指導(dǎo)下，了解透射電子顯微鏡（TEM）和X-射線粉末衍射儀等大型儀器的工作原理。按照要求進行實驗樣品的制樣并完成測試，及時收集數(shù)據(jù)。同時，學會使用常用軟件如Photoshop、MDI Jade、Origin、Digital Micrograph等對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理。

圖1(a)為所獲得的PtCu納米顆粒的透射電鏡（TEM）圖片。可以觀察到所合成納米顆粒的平均尺寸約為9 nm。為進一步確定樣品的物相組成，進行了X-射線粉末衍射（XRD）分析。圖1(b)顯示樣品的XRD衍射峰均處于純鉑（PDF卡片號:04-0802）和純銅（PDF 卡片號:04-0836）相應(yīng)標準卡片峰之間的位置，表明所合成的產(chǎn)物為PtCu合金材料。

圖1PtCu納米晶 （a）TEM圖；（b）XRD圖譜

在合成納米材料的形貌及物相進行表征的實驗過程中，學生不僅學會了圖片、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)軟件的使用，還掌握了這些常用測試手段的使用方法、用途和區(qū)別，建立了對納米材料尺寸、形貌及相結(jié)構(gòu)等進行分析的基本研究思路。

3 激發(fā)學生學習興趣，提高學生綜合素養(yǎng)

在催化劑的電催化性能測試環(huán)節(jié)，充分調(diào)動學生科學研究的熱情，加強學生運用所學電化學理論知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生的實驗研究能力和科研素養(yǎng)。讓學生學會電化學工作站的使用方法，掌握電化學測量方法的基本原則和測量技術(shù)，了解電化學測量的主要步驟，包括測試條件的控制、結(jié)果的測量和數(shù)據(jù)的解析。

將催化劑滴涂在玻碳電極上用做工作電極，Pt片為輔助電極，飽和Ag/AgCl為參比電極，通過電化學工作站評估所制備催化劑的電催化性能。圖2(a)為所制備PtCu/C和商業(yè)Pt/C催化劑的循環(huán)伏安曲線。為了揭示催化劑的甲醇電催化氧化活性，在0.5 mol/L H2SO4和1 mol/L CH3OH的電解質(zhì)溶液中進行了循環(huán)伏安曲線掃描，分別比較了二者的面積比活性（電流歸一化為Pt的活性面積）及質(zhì)量比活性（電流歸一化為Pt的載量）差異。如圖2(b)所示，PtCu/C催化劑的面積比活性（1.27 mA/cm2）是商業(yè)Pt/C面積比活性（0.27 mA/cm2）的4.70倍。同時，PtCu/C催化劑的質(zhì)量比活性（0.19 A/mgPt）為商業(yè)Pt/C質(zhì)量比活性（0.12 A/mgPt）的 1.58 倍，如圖 2（c）。此外，PtCu/C 催化劑也表現(xiàn)出更好的電化學穩(wěn)定性，如圖2（d）。由此可見，本實驗所制備的PtCu/C催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的甲醇電催化氧化性能。

圖2 PtCu/C和商業(yè)Pt/C催化劑的電化學測試

4 以學生發(fā)展為目標 培養(yǎng)科學探索精神

指導(dǎo)老師在催化劑材料制備、性能表征和數(shù)據(jù)處理過程中，引導(dǎo)學生，通過探索性實驗教學活動傳達科學研究的基本方法、理念，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和探索精神。通過前期催化劑的結(jié)構(gòu)表征與組成分析，考察不同條件下制備的PtCu 催化劑對電催化性能的影響，探究其微觀結(jié)構(gòu)（暴露晶面、原子組成等）與電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系，進而為高活性催化劑的合成提供理論指導(dǎo)。在這一實驗環(huán)節(jié)，學生們可就現(xiàn)有實驗結(jié)果展開相互討論、師生交流，潛移默化地培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和進行探索性實驗的科學素養(yǎng)。

5 知識能力素質(zhì)協(xié)調(diào) 學習成績多維評價

在研究型電化學綜合實驗實施過程中，學生始終作為整個實驗研究的主體，全程參與文獻調(diào)研、實驗路線設(shè)計、測試表征及實驗數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)。一方面，加強了學生的專業(yè)英語水平訓練，激發(fā)了學生的科研興趣，充分認識到在科學研究中要有實事求是的工作態(tài)度。另一方面，通過理論與實踐的結(jié)合，學生對相關(guān)電化學研究領(lǐng)域有了比較全面的了解，熟悉了從事相關(guān)科研工作的流程，進而培養(yǎng)了學生的動手能力、自學能力和與人溝通的能力,提高了學生的綜合素質(zhì)。在成績評定方面，采取多維度考核方式。以學生分組形式，將文獻綜述、實驗操作和實驗成果匯報(整理成PPT形式)列為考察環(huán)節(jié)，學生參與評價，綜合評定實驗成績。

6 小結(jié)

設(shè)計研究型綜合實驗，可激發(fā)學生的學習興趣，有助于培養(yǎng)學生的動手能力、自學能力和創(chuàng)新能力。同時，指導(dǎo)教師適時引導(dǎo)，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，服務(wù)本科教學，有助于培養(yǎng)學生科學探索精神和綜合能力。