開放式化學實驗設計

王蕾 顧曉敏 葉丹丹

摘 要： 本文設計了一個開放式化學實驗，利用水熱技術制備多金屬氧酸鹽配合物，通過X-單晶衍射、FT-IR、TG、EA等表征手段對配合物的組成和結構進行表征。同時利用Uv-vis技術考察該配合物降解有機染料的效果。通過本實驗操作和學習，學生可以了解水熱法的操作步驟，配合物的常用表征手段及考察配合物降解染料效果的方法。該實驗綜合了化學理論知識、無機化學和分析化學中的實驗技能，有利于培養知識廣、基礎扎實、能力強、素質高的優秀大學生，同時激發大學生的科研興趣和創新能力。

關鍵詞： 開放式化學實驗 多金屬氧酸鹽配合物 光催化 能力

實驗教學是高等教育的重要組成部分。開放式實驗教學以培養大學生的創新能動性為前提，突出化學實驗的研究與應用。一改過去“照方取藥”的實驗教學模式，大學生可以根據自己所學化學理論知識與興趣選做專業內實驗。在完成基礎性實驗內容后，可酌情安排開放式化學實驗，其可以發揮學生的主觀能動性，激發其創新意識。鼓勵學生通過查閱相關知識領域文獻資料，設計和制訂可行方案。實驗完成后自行對所得數據進行處理與分析，考查學生解決問題和數據處理的能力。

多金屬氧酸鹽以其豐富的結構類型和特異、優良的物理化學性質，在催化、材料科學、生物化學及醫學等領域具有廣泛的應用前景。本實驗以多金屬氧酸鹽為建筑單元、利用金屬離子配合物作為擴展結構的連接體，得到多金屬氧酸鹽配合物。該配合物耦合了多金屬氧酸鹽的催化性能和配合物結構的孔道結構，因此可以作為一種新型的光催化材料用于環境中污染物的降解。

本實驗以硅鎢酸H■SiW■O■、有機配體MOPIP、金屬鹽MnCl■·4H■O為反應原料，水為溶劑，在165℃的水熱條件下制備得到多金屬氧酸鹽配合物。通過X射線-單晶衍射、紅外（FT-IR）、熱重（TG）等實驗表征手段對配合物的組成和結構進行表征。利用紫外可見光譜（Uv-vis）對配合物光催化降解目標污染物羅丹明B和亞甲基藍的降解效果進行表征。為環境中有機染料的降解提供綠色新的解決方法。

1.實驗部分

1.1實驗試劑和儀器

鄰菲啰啉衍生物MOPIP配體按照已發表的文獻合成[1]，金屬鹽MnCl■·4H■O，硅鎢酸（H■SiW■O■），羅丹明B（RhB）、亞甲基藍（MB）和氫氧化鈉均在國藥集團化學試劑有限公司購得，且未做純化。布魯克公司SMARTAPEXⅡCCDX-射線衍射儀，Perkin-Elmer240C元素分析儀，NicoletNexus470FT-IR分光光度儀，Netzsch STA449C熱重分析儀，島津UV-2450紫外可見分光光度計。

1.2配合物結構的表征

配合物單晶結構采用布魯克公司SMART APEXⅡCCD X-射線衍射儀測定。配合物的元素（C，H，N）分析采用Perkin-Elmer 240C元素分析儀。紅外光譜是采用Nicolet Nexus 470 FT-IR分光光度儀，用KBr進行壓片，在400-4000cm■范圍內掃描得到。熱重實驗采用Netzsch STA449C熱重分析儀，以10℃/min為升溫速度，在0℃至1200℃溫度范圍內進行測定。

1.3配合物結構的制備

將反應物MnCl■·4H■O（0.048g，0.25mmol），H■SiW■O■（0.35g，0.12mmol），MOPIP（0.082g，0.25mmol）和H■O（18mL）放入燒杯中，在室溫下攪拌30min，并加入NaOH溶液調節pH為6，然后將混合物裝入25mL內襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應釜中，在165℃下恒溫晶化5天，以5℃/h的速度梯度降溫至室溫。產物經過去離子水多次洗滌、過濾后得到紅色針狀晶體，產率為59%。

1.4光催化降解羅丹明B和亞甲基藍的實驗

實驗以氙燈作為紫外光光源，羅丹明B（RhB）和亞甲基藍（MB）溶液的初始濃度為2×10■mol/L。稱取100配合物樣品，超聲分散在100mL羅丹明B（或者亞甲基藍）溶液中。將混合溶液裝入石英的反應瓶中，加入磁性轉子，連接好光化學反應器。實驗開始后，先在暗反應條件下攪拌30min，開燈后每隔30min抽取樣品溶液，離心，取上層清液，采用UV-2450紫外分光光度計對溶液中染料吸收峰的強度進行考察。

2.實驗結果與討論

通過X射線-單晶衍射、紅外光譜、元素分析、熱重等對配合物的結構進行表征，表明配合物的結構為雙核的結構，其可以通過π-π堆積形成一維鏈，并進一步擴展為二維平面結構及三維超分子結構。利用紫外可見光譜對配合物的光催化降解實驗進行考察，從譜圖中可以觀察到目標污染物羅丹明B和亞甲基藍的吸收峰明顯降低。此外用肉眼明顯看到，目標污染物羅丹明B的溶液由紅色變為白色，亞甲基藍的溶液由藍色變為無色。從上面的光催化實驗結果可以得到合成的配合物對染料具有廣泛性的降解效果。

學生通過本開放實驗學習和操作，可以掌握無機化學實驗中的基本操作，如準確稱量、配制溶液、pH值測定；儀器分析化學中關于利用KBr壓片法測定配合物的紅外光譜、熟悉和掌握紫外可見分光光度計、元素分析儀的操作步驟和準確使用。學生除了需要正確熟練地掌握上述化學實驗基本操作技能外，還應具有處理和分析數據能力，即使用計算機對上述得到的數據進行作圖和分析。其中包括運用Shelxl軟件對所得晶體數據進行解析，并用Diamond軟件畫出晶體結構圖；應用Excel和Origin軟件做出和處理紅光光譜儀得到的紅外譜圖，紫外分光光度計得到的催化降解譜圖，以及熱重分析儀得到的熱重圖譜。

此外，本開放實驗可以培養學生利用所學理論知識對譜圖進行分析，如紅外譜圖中吸收峰的位置應歸屬于何種基團的振動，熱重譜圖中每個階段的失重歸因于配合物種哪種基團的分解等。

水熱法是制備功能材料一種最簡單、優異的合成方法，采用此方法可以合成結構多樣且具有功能性的新型材料。我們將具有催化活性的多金屬氧酸鹽和結構可控的配合物進行組裝，得到了結構多樣的多金屬氧酸鹽配合物。該多金屬氧酸鹽配合物是一種新型光催化材料，其可以利用環境友好且綠色的光催化技術達到降解污染物的目的。設計該開放實驗旨在培養學生的綜合能力，讓學生熟練實驗基本技能，熟練數據處理技巧，提高分析數據的能力，增強理論學習的實用性，為學生以后搞科研、寫論文、工作打下良好基礎。

參考文獻：

[1]（a）Y.J.Huang，Y.C.Cui，G.Du，ChinJ.Inorg.Chem.25，1882（2009）；（b）B.Liu，S.Zhou，X.M.Li，C.B.Li，Chin.J.Struct.Chem.27，1195（2008）；（c）L.Wang，L.Ni，J.Coord.Chem.65，1475（2012）.