小晶粒ZSM-5分子篩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

姜文鳳，張永策，紀(jì) 敏，田福平，宿 艷

（大連理工大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024）

多相催化是催化化學(xué)的重要組成部分，是目前解決人類面臨的能源和環(huán)境問(wèn)題的重要方法之一[1]。固體催化劑的合成和表征是多相催化技術(shù)的核心內(nèi)容。然而，由于催化劑的合成周期長(zhǎng)、表征所需大型儀器多且復(fù)雜等問(wèn)題導(dǎo)致在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)際開(kāi)展，而本科理論教學(xué)中也只對(duì)多相催化進(jìn)行概念性介紹，因此本科生在多相催化過(guò)程所涉及的重要理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法等方面存在能力缺失問(wèn)題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)操作流程，可以反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，是實(shí)驗(yàn)室的虛擬化[2-3]。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過(guò)以虛補(bǔ)實(shí)的方式，完成一些高毒性、高危險(xiǎn)性及涉及眾多大型貴重儀器的實(shí)驗(yàn)，并為學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)提供手段和資源[4]。可見(jiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入不僅有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)習(xí)效率，也可提高教師的教學(xué)效率，強(qiáng)化課堂教學(xué)效果[5-6]。

本文依托我校科研團(tuán)隊(duì)的實(shí)際科研課題，以小晶粒ZSM-5分子篩為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)人機(jī)互動(dòng)過(guò)程，學(xué)生不僅可以模擬催化劑的仿真合成過(guò)程，還可以模擬X-射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、紅外光譜儀（IR）、吡啶吸附紅外光譜儀（Py-FTIR）、X-射線熒光光譜儀（XRF）、物理吸附儀、化學(xué)吸附儀等多種大型貴重儀器的仿真操作，掌握催化劑的各種表征技術(shù)和手段。該項(xiàng)目可以解決本科生在多相催化領(lǐng)域的核心技術(shù)和研究方法等方面能力缺失問(wèn)題，為他們將來(lái)從事能源、材料和環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 虛擬仿真技術(shù)基礎(chǔ)

化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在化學(xué)反應(yīng)原理與大型儀器工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，以更為直觀的方式展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒4]。它克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于抽象的缺點(diǎn)，具有更好的交互性。學(xué)生和教師以用戶身份登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于輸入/輸出設(shè)備向虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳達(dá)指令并獲取相關(guān)的結(jié)果。其中，反饋的結(jié)果包括視頻輸出、圖形輸出和文字輸出等多種形式。平臺(tái)還能夠依據(jù)登錄者的要求提供更加完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)圖形及各種參數(shù)變化擬合曲線等。

2 小晶粒ZSM-5分子篩的模擬合成及模擬表征

本實(shí)驗(yàn)依托移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn) MLabs APP，模擬ZSM-5分子篩合成與表征過(guò)程。學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)隨地登錄平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和體驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端（采用點(diǎn)擊、拖拽、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)等方式）完成水熱條件下小晶粒ZSM-5分子篩的合成，并依次模擬完成XRD、SEM、N2吸附-脫附、IR、Py-FTIR、XRF、NH3-TPD 等多項(xiàng)常用催化劑表征技術(shù)及催化劑活性評(píng)價(jià)方法。

2.1 小晶粒ZSM-5分子篩的虛擬合成

小晶粒ZSM-5分子篩的合成采用水熱法，其合成過(guò)程如下[7-9]：①部分初級(jí)凝膠在溶液中溶解，在反應(yīng)體系中產(chǎn)生活性的鋁酸根和硅酸根離子；②活性的鋁酸根和硅酸根離子進(jìn)一步發(fā)生更深層次的聚合反應(yīng)而形成分子篩晶體的單元結(jié)構(gòu)，分子篩晶體由此逐漸形成。

學(xué)生模擬合成過(guò)程的交互性操作實(shí)驗(yàn)如下：室溫條件下，將硅源、鋁源、模板劑、水、表面活性劑按照所計(jì)算的量稱量（圖 1）；依次加入后攪拌成膠，并分別在烘箱中晶化、洗滌、干燥以及在馬弗爐中焙燒（圖2）。

圖1 稱量過(guò)程

圖2 烘箱晶化過(guò)程

ZSM-5分子篩離子交換（圖3）：本虛擬實(shí)驗(yàn)采用液相離子交換法，將 Na型分子篩與 NH4NO3溶液進(jìn)行多次交換，焙燒后制得H型的ZSM-5催化劑。將合成的ZSM-5分子篩經(jīng)銨離子交換3次，再依次經(jīng)洗滌、干燥和焙燒后，得到H-ZSM-5催化劑。

圖3 離子交換過(guò)程

2.2 小晶粒ZSM-5分子篩的虛擬表征

實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分子篩的表征一般采用如下手段：采用 XRD、IR、SEM 等技術(shù)表征分子篩的晶體結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)和形貌；采用XRF測(cè)定分子篩的硅鋁比；采用N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)測(cè)定分子篩的比表面積、孔體積和孔徑分布；采用NH3-TPD和Py-FTIR方法表征分子篩的表面酸強(qiáng)度、酸分布和酸種類[7-14]。本文根據(jù)實(shí)際科研需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出小晶粒 ZSM-5分子篩表征的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)人機(jī)交互模擬分子篩的各種表征手段。

對(duì)H-ZSM-5分子篩進(jìn)行XRD表征的模擬仿真操作如下（圖 4）：首先，對(duì)樣品充分研磨；其次，開(kāi)機(jī)預(yù)熱，設(shè)置儀器參數(shù)；最后，進(jìn)行譜圖采集，處理數(shù)據(jù)。

圖4 H-ZSM-5分子篩的XRD表征

對(duì)H-ZSM-5分子篩的SEM表征模擬仿真操作如下（圖5）：首先，取適量樣品，黏于導(dǎo)電膠上，置于離子濺射儀內(nèi)進(jìn)行表面噴金處理；其次，設(shè)置儀器電壓、電流等參數(shù)后，表征分子篩的形貌和晶粒尺寸；再次，將分子篩樣品裝入樣品管中，抽真空，升溫，進(jìn)行樣品表面清潔；最后，設(shè)置儀器參數(shù)，采集數(shù)據(jù)，表征分子篩的織構(gòu)性質(zhì)。

圖5 H-ZSM-5分子篩的XEM表征

對(duì)H-ZSM-5分子篩的IR表征模擬仿真操作如下（圖6）：將樣品進(jìn)行干燥處理以及溴化鉀壓片；設(shè)置紅外儀器參數(shù)后，采集譜圖，分析催化劑的骨架結(jié)構(gòu)。

圖6 H-ZSM-5分子篩的IR表征

對(duì)H-ZSM-5分子篩進(jìn)行XRF表征模擬仿真操作如下（圖7）：在稱量的分子篩中依次加入無(wú)水四硼酸鋰和偏硼酸鋰的混合溶劑，以及脫模劑碘化銨溶液后，放入熔樣機(jī)，對(duì)溶液定容；設(shè)置儀器參數(shù)后，根據(jù)各元素的特征X射線的強(qiáng)度，獲得其含量信息，進(jìn)而確定分子篩催化劑的硅鋁比。

圖7 H-ZSM-5分子篩的XRF表征

對(duì)H-ZSM-5分子篩的Py-FTIR表征模擬仿真操作如下（圖8）：首先，將樣品壓成自支撐薄片后，裝入紅外池；其次，將紅外池連入管路，抽真空，清潔表面；最后，經(jīng)表面清潔的分子篩樣品片靜態(tài)吸附吡啶蒸汽后，設(shè)置儀器參數(shù)，采集譜圖，表征催化劑的酸性質(zhì)。

圖8 H-ZSM-5分子篩的Py-FTIR表征

對(duì)H-ZSM-5分子篩的NH3-TPD表征模擬仿真操作如下（圖9）：將樣品造粒、過(guò)篩，稱量后裝入樣品管，插入熱電偶，經(jīng)高溫惰性氣體吹掃，清潔樣品表面；吸附氨氣達(dá)飽和后，經(jīng)惰性氣體吹掃至基線平穩(wěn)，設(shè)置儀器參數(shù)后，程序升溫，采集譜圖。

圖9 H-ZSM-5分子篩的NH3-TPD表征

3 應(yīng)用與實(shí)踐

目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已在我校應(yīng)用化學(xué)、工業(yè)催化等專業(yè)的學(xué)生中進(jìn)行了教學(xué)應(yīng)用。實(shí)踐表明，學(xué)生通過(guò)完成小晶粒ZSM-5分子篩的模擬合成、模擬表征，深入了解了實(shí)驗(yàn)儀器的三維立體結(jié)構(gòu)、使用流程及注意事項(xiàng)等，增強(qiáng)了對(duì)催化劑制備和表征技術(shù)的整體性、全方位的認(rèn)識(shí)，減少了誤操作導(dǎo)致的損耗和危險(xiǎn)情況。此外，該實(shí)驗(yàn)還加深了學(xué)生對(duì)多相催化理論知識(shí)的理解，幫助學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐。

小晶粒ZSM-5分子篩虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，學(xué)生可以充分利用課程時(shí)間與課余時(shí)間，隨時(shí)隨地進(jìn)行操作，培養(yǎng)了學(xué)生探索性學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高了學(xué)生的學(xué)術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我校本科教育的實(shí)際情況，研制開(kāi)發(fā)了小晶粒ZSM-5分子篩的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是在利用化學(xué)反應(yīng)原理與大型儀器工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，再現(xiàn)了催化劑合成和表征過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了 X-射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、紅外光譜儀（IR）、吡啶吸附紅外光譜儀（Py-FTIR）、X-射線熒光光譜儀（XRF）、物理吸附儀、化學(xué)吸附儀等大型儀器的模擬操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展有效解決了因?qū)W時(shí)不夠和實(shí)驗(yàn)條件限制而造成的本科生在多相催化領(lǐng)域中的核心技術(shù)和研究方法等方面能力缺失問(wèn)題，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解和運(yùn)用，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。未來(lái)將繼續(xù)大力開(kāi)發(fā)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)以虛補(bǔ)實(shí)的方式彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，為建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的“金課”[16]而不懈努力。