國家級一流本科專業建設背景下“科”與“教”協同作用培育高水平創新人才
——以BiOI光催化降解甲基橙的實驗為例

李曉微，秦來，邢其鑫，劉青,＊，張雷

1山東理工大學化學化工學院，山東 淄博 255000

2安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001

隨著我國全面開啟建設社會主義現代化國家新征程，高等教育在國家發展中扮演的角色就越來越重要。習近平總書記曾指出，“黨和國家事業發展對高等教育的需要，對科學知識和優秀人才的需要，比以往任何時候都更為迫切。”高校作為人才培養的搖籃和科技創新的重要陣地, 必須堅定“創新是第一動力，人才是第一資源”的理念, 不斷提升教育的整體水平，為我國現代化事業培養更多高水平高素質人才。

近年來，為深入貫徹和落實全國教育大會精神和新時代全國高校本科教育工作會議精神，教育部于2019年4月發布了關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的建設規劃。一流專業的建設是我國針對高等教育的重要舉措，自啟動以來，各建設學科和專業所依托的高校高度重視[1-3]，從課程設置、教學計劃以及科研平臺的構建等方面都進行了探索和創新，激發了學科和專業發展的動力和活力，為培養高素質人才提供了強有力的支撐。

山東理工大學是山東省重點建設的以理工科為主的多科性大學，學校始終堅持科研與教學為中心。山東理工大學化學化工學院具有鮮明的辦學特色和學科優勢，其化學工程與工藝和應用化學專業入選2020年國家級一流本科專業建設點，學院通過科教融合將人才培養與科學研究相結合，鼓勵學生進入課題組參與科學研究和創新活動，為提高學生的創造力和自主學習的能力搭建了一個很好的平臺，其具體體現在如下幾個方面：(1) 現掛靠在學院有多個高水平的研究中心和科研實驗室；(2) 實驗教學中心的儀器設備為本科生開放；(3) 定期邀請中國科學院院士、杰青和各專業學術帶頭人為本科生做專題報告，營造學術氛圍，讓學生了解不同研究方向的前沿領域，以實現科研創造新知，新知培養人才；(4) 以學生為中心，安排部分高年級的本科生參加由山東理工大學主辦的第七屆全國儲能科學與技術大會暨2020淄博先進能源材料論壇，讓學生身臨其境與學術大師面對面的交流，以激發其探索和求知欲；(5) 綜合考評中制定了相關的獎勵政策激勵學生自主參加科學研究；(6) 高水平的指導教師隊伍使學生能夠在國家級、省級、校級和院級大學生創新訓練計劃項目中選題立項；(7) 高素質創新人才的培養離不開導師的指導、關心和引領，因此制定了服務于科教融合的本科生班級導師制；(8) 建立了高層次的國際交流平臺，與國外多所大學簽訂聯合培養或本科生交流合作計劃等等，以上這些舉措和平臺對一流專業的建設及科教協同育人均起到了積極的作用，當然，“科”與“教”協同作用培育高水平創新人才工作還存在一些問題，后續還有待進一步改進和完善。

本文主要以培養學生的“化學知識-創新能力-綜合素質”為主線，在科教融合的指導思想[4-6]和研究傳統化學實驗的基礎之上，將教學團隊的科研成果引入本科實驗教學中，開發了“BiOI納米材料的制備及光催化降解甲基橙”的實驗項目，該實驗反應條件溫和，操作簡單，實施性強，能夠很好地支撐教學。此外，將材料的結構表征與光催化性能納入實驗項目中，體現了無機化學、材料化學、催化化學、環境科學以及能源科學等學科知識的交叉，對學生知識面的拓寬和綜合能力的提升均能起到極好的促進作用，與此同時還為學生畢業論文的順利進行和研究生階段的科研工作打下堅實的基礎。該實驗項目的開展，首先是實驗前的準備，通過項目調研，文獻檢索與查閱了解國內外半導體光催化劑BiOI的研究背景和研究現狀[7-13]，學習BiOI的制備技術和光催化降解機理，為下一步實驗方案的設計和數據處理做好充分的準備，其總體實施方案如圖1所示。

圖1 實驗項目的實施方案

1 實驗部分

1.1 實驗目的

(1) 掌握水熱法制備無機納米材料的方法和表征手段。

(2) 了解大型儀器設備的基本原理和操作方法。

(3) 理解BiOI光催化降解甲基橙的反應機理。

(4) 學會使用軟件分析和處理實驗數據。

1.2 實驗原理

半導體光催化作為一種新型的“綠色技術”，其利用太陽能將環境中的有機污染物降解轉化為對環境無害的物質，從而為我們提供一個綠色環保舒適的生活空間。然而，要實現這個過程關鍵在于尋找和設計新型高效的光催化劑。鉍系化合物BiOI作為一種帶隙較窄的半導體材料因其擁有獨特的電子結構、良好的光學性能和催化性能等優點而成為光催化領域的研究熱點。本實驗采用簡單的水熱法制備BiOI，以模擬太陽光的氙燈為光源，所得產物BiOI為光催化劑，甲基橙的水溶液為模擬污染物考察BiOI的光催化活性。在光催化反應過程中，含有BiOI的甲基橙水溶液受到光照后，BiOI被激發產生光生電子e-和空穴h+，導帶的電子與吸附在BiOI表面的O2發生氧化還原反應生成超氧自由基·O2-，·O2-作為活性物種對甲基橙進行降解，而價帶的空穴則作為活性物種直接參與對甲基橙的氧化降解，光催化機理如圖2所示。

圖2 BiOI的光催化機理

1.3 實驗試劑與藥品

五水硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O)，碘化鉀(KI)，甲基橙(MO)，無水乙醇(C2H5OH)和去離子水(實驗室自制)。實驗所用試劑和藥品均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司，使用前未進行純化處理。

1.4 實驗儀器

電子分析天平(梅特勒-托利多ME204)，磁力攪拌器(上海司樂儀器有限公司85-2)，超聲波清洗儀(昆山舒美超聲儀器有限公司KQ3200DE)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司DHG-9076)，高速離心機(上海安亭科學儀器廠TGL-10K)，真空干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司DZF-6020)，紫外-可見分光光度計(上海元析儀器有限公司UV-6100)，光化學反應儀(南京胥江機電廠XPA-7型)，反應釜，燒杯，量筒等。其他大型儀器設備見本文1.7小節。

1.5 BiOI納米材料的制備

稱取0.485 g的Bi(NO3)3·5H2O加入到20 mL的去離子水中，超聲10 min后得到均勻分散的白色懸濁液，將20 mL濃度為0.05 mol·L-1的KI溶液滴入上述Bi(NO3)3·5H2O的懸濁液中，室溫攪拌1 h后，所得混合溶液轉入50 mL高壓反應釜中，180 °C反應12 h，待反應釜自然冷卻至室溫，離心分離產物，然后用去離子水和無水乙醇分別離心洗滌產物3-5次，最后60 °C真空干燥8 h得產物BiOI，制備過程如圖3所示。

圖3 BiOI的制備過程

1.6 甲基橙水溶液的配制

用電子天平準確稱取10 mg的甲基橙固體于200 mL燒杯中，加入去離子水攪拌至完全溶解后倒入1 L容量瓶中稀釋定容，配成10 mg·L-1的甲基橙水溶液作為模擬污染物避光放置待用。

1.7 BiOI納米材料的結構表征

利用X射線粉末衍射(XRD)對樣品BiOI的物相結構進行表征，儀器使用CuKα射線(λ= 0.15418 nm)，掃描速度為6 (°)·min-1，掃描范圍15°-80°；X射線光電子能譜(XPS)通過PHI5000型X射線光電子能譜儀器測試；產物的形貌結構和元素組成通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測；樣品的比表面積通過ASAP 2020型氮吸附儀測得；光催化降解過程中甲基橙水溶液吸光度的變化利用上海元析UV-6100型紫外-可見分光光度計測定。

1.8 BiOI納米材料光催化活性的測試

以500 W的氙燈(濾光片λ＞ 420 nm)為光源，產物BiOI為光催化劑，甲基橙的水溶液為模擬污染物評價所制備BiOI的光催化活性，具體步驟如下：分別向五支盛有10 mL濃度為10 mg·L-1甲基橙水溶液的石英管中加入10 mg的BiOI，將其置于XPA-7型光化學反應儀(自帶循環冷凝水裝置)中避光條件下充分攪拌1 h，使其達到吸附-脫附平衡，然后開啟光源，每隔10 min取出一支石英管，將石英管中的懸浮液進行高速離心，上層甲基橙清液的紫外-可見吸收光譜及波長為464 nm處的吸光度通過紫外-可見分光光度計來監測，以確定甲基橙的濃度和降解率，其計算公式：

式中，D為降解率，C0為甲基橙的初始濃度，Ct為光照t時刻甲基橙的濃度，根據朗伯-比爾定律，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時刻甲基橙的吸光度At來計算，即：

1.9 實驗過程中的注意事項

學生在實驗過程中按照如下注意事項規范操作，不存在其他的安全隱患和危險。

(1) 樣品制備過程中，禁止使用已變形的反應釜內膽。

(2) 反應釜使用前，須用稀酸溶液將反應釜內膽清洗一遍，將釜的內外附著物清洗潔凈。

(3) 將溶劑和樣品放入反應釜內膽中，要保證加料系數不能超過內膽容積的80%，同時檢查所用的水熱反應釜不銹鋼釜套是否老化。

(4) 水熱反應結束后待反應釜溫度降至室溫再打開處理樣品。

(5) 實驗結束后，要及時將反應釜及其內膽清洗潔凈，以免銹蝕。釜體密封處要格外留意清洗潔凈，并嚴防將其碰傷損壞。

2 結果與討論

2.1 BiOI的物相分析

圖4所示為樣品BiOI的XRD譜圖，從圖中可以看出，所有衍射峰與BiOI的標準卡片完全吻合(JCPDS 73-2062)，沒有出現任何雜峰，說明所得樣品為純相四方晶系的BiOI。在2θ等于19.4°，24.3°，29.7°，31.7°，33.3°，39.5°，45.8°，51.5°，55.3°處的衍射峰分別對應于(002)，(011)，(012)，(110)，(111)，(004)，(014)，(114)，(122)的晶面衍射。

圖4 BiOI的XRD譜圖

2.2 BiOI的微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡對BiOI的微觀形貌進行表征，其SEM圖片見圖5，由圖可知，所制備的BiOI呈不規則的納米片狀結構，片層厚度小于50 nm，寬度約100-800 nm。圖6所示元素分布圖和EDS能譜表明，所制備的樣品含有Bi、O和I三種元素，此外，EDS能譜中Cu元素的峰是由SEM制樣過程中所用銅片所致，由此進一步證實了BiOI的成功制備。

圖5 BiOI的SEM圖

圖6 BiOI的元素分布圖和EDS能譜

2.3 BiOI的XPS表征

XPS通常用于測定樣品表面的化學組成和元素的化學狀態，BiOI的XPS能譜如圖7a所示，從圖中可以看到Bi、O、I三種元素的存在。圖7b是Bi 4f的能譜圖，結合能為164.4和159.0 eV處的強峰分別歸于Bi 4f5/2和Bi 4f7/2，說明BiOI中Bi以Bi3+的形式存在。結合能為530.0 eV處較強的峰對應于BiOI中的晶格氧，而531.5 eV處較弱的信號峰來源于O污染即表明有吸附氧的存在(圖7c)。圖7d為I 3d的XPS譜圖，位于630.6和619.0 eV的信號峰屬于I 3d3/2和I 3d5/2。

圖7 BiOI的XPS譜圖

2.4 BiOI的比表面積和孔徑分布

為了探究BiOI的比表面積和孔徑分布，我們對其進行了氮氣吸附測試，其N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布曲線分別見圖8及插圖，根據BET結果，片狀BiOI的比表面積為13.63 m2·g-1，孔徑分布相對較寬，孔徑范圍主要集中于2-51 nm。

圖8 N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布曲線(插圖)

2.5 BiOI的光催化活性

以500 W的氙燈為光源，甲基橙為目標污染物來評價所制備樣品BiOI的光催化活性，圖9a為光催化降解過程中不同光照時間甲基橙的紫外-可見吸收光譜圖，利用甲基橙最大吸收波長464 nm處的吸光度(表1)來計算得到光催化降解率隨時間的變化曲線(圖9b)，由圖可知，在沒有光催化劑BiOI時，甲基橙在光照50 min內降解率極低，而加入光催化劑BiOI后，光照10 min甲基橙的降解率為28%，光照50 min甲基橙的降解率可達91%，降解產物為CO2和H2O等無污染的小分子，此外，從圖9b中的插圖也可清晰地看出，光降解過程中，隨著光照時間的延長，甲基橙的顏色逐漸變淺，50 min后甲基橙的顏色由黃色幾乎變為了無色。

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

圖9 (a) 光催化降解過程中甲基橙的紫外-可見吸收光譜圖；(b) 甲基橙的降解率隨時間的變化曲線

2.6 BiOI的循環使用性能

為了研究BiOI在光催化降解過程中的穩定性，我們將光催化反應后的樣品回收，經離心分離，去離子水和無水乙醇洗滌，60 °C干燥后重復進行了6次實驗，結果如圖10所示，經6次重復使用后BiOI對甲基橙的降解率為80%，與第1次相比降低了11%，這可能是由于樣品在回收過程中損失所造成的，顯示了BiOI良好的穩定性。

圖10 BiOI的循環使用性能

綜上，以硝酸鉍和碘化鉀為原料，通過水熱反應制備的產物BiOI被成功用于光催化降解甲基橙的水溶液中，并表現出較高的光催化活性和循環使用性能。

3 思考題

(1) 什么是水熱合成法，有哪些優點和不足？

(2) 影響水熱合成反應的主要因素有哪些？

(3) 如何證明光催化降解過程中起主要作用的活性物種是超氧自由基·O2-和空穴h+？

4 實驗教學要求與組織形式

4.1 教學要求

(1) 要求學生在課前根據實驗目的和實驗內容做好預習并撰寫預習報告。

(2) 樣品的制備和表征結束后，利用Origin軟件作圖，根據XRD、SEM、EDS、XPS和N2吸附等結果分析樣品的形貌結構、元素組成、價態和比表面積等以更好地明確光降解過程中影響樣品光催化活性的因素。

(3) 光催化降解甲基橙的過程中，能熟練應用朗伯比爾定律求算出甲基橙的降解率隨時間的變化曲線。

(4) 實驗結束后，每組以PPT的形式對實驗進行概括總結，通過小組互評促進學生互相學習，取長補短。

4.2 學時安排

為保證教學質量，采用小班教學，一堂實驗課參與學生的人數為10-15人，兩人一組分組進行，整個實驗過程分三個階段完成：

(1) 第一階段，樣品的制備，水熱反應前樣品的準備需要2 h，水熱反應12 h，樣品的后處理洗滌1 h和真空干燥8 h，其中水熱反應和真空干燥過程中分別指派2-3名學生輪流看守，以確保儀器正常運行和實驗安全進行，因此，學生在制備樣品的過程中實驗操作所需的時間實際約為3 h (2 + 1)。

(2) 第二階段，樣品的結構表征約需4 h。

(3) 第三階段，樣品光催化性能的測試需4 h。

5 “科”與“教”協同作用在實驗過程中的體現

本實驗集實踐性和探究性于一體，采取綜合開放式模式，其實驗內容緊密結合理論專業課和學科前沿，運用多種實驗技術和儀器設備，使學生所學知識融會貫通的同時還提高了實驗技能，培養了學生對科研的興趣，具體體現在如下幾個方面。

5.1 學生獲取信息的能力

實驗以“BiOI納米材料的制備及光催化應用”為研究對象，在學習“文獻檢索”課程的基礎上，與教學內容緊密結合讓學生通過實踐檢索和查閱文獻資料，了解BiOI光催化劑的特點和最新研究進展，自主設計實驗方案，鞏固、加深和掌握中英文數據庫(如中國知網和Web of Science等)的檢索方法，培養學生獲取電子文獻信息的能力，快速準確挑選出符合自己實驗課題的資料，以增加知識量，開拓思路，提高信息整合能力和學習效率，為實驗的順利開展打下堅實的基礎，同時也能夠真正實現本科教學課程開設的目的——學以致用。

5.2 學生的實驗技能

通過基礎實驗課程的學習，學生已掌握了一些基本的實驗技能，在此基礎之上將科研課題引入本科實驗教學中，對學生實驗技能的提升起到了很好的效果。首先，學生掌握了水熱法制備納米材料的實驗技術；其次，實驗過程中密切關注實驗細節，提高了實驗操作和實驗記錄的規范性；再次，實驗結束后，學生對實驗數據及時地分析、歸納和總結，找出影響實驗結果的主要因素，從而使學生分析解決問題的能力得到“質”的飛越。

5.3 學生的綜合素質

該實驗考查了學生學習無機合成化學、波譜分析和納米材料的制備等相關課程的情況，強化了理論知識與實驗技術的綜合運用，從較高層次上了解了化學實驗中特殊的研究方法和手段，培養了學生嚴謹的科學態度、創新意識和團隊合作精神，提高了學生的總結概括能力、語言表達能力和科研能力。

6 教學心得與反思

教育是國之大計，黨之大計。在實驗教學過程中，我們將思政教育貫穿其中，培養了學生踏實嚴謹、愛崗敬業的職業道德和勇于探索、求真務實的科學精神，使其成長為一個愛國愛黨且具有社會責任感的人。

在能源短缺和環境污染日益加劇的今天，將納米材料用于光催化降解污染物不僅增強了學生的環保意識和可持續發展意識，而且使學生認識到了自然環境與人類社會發展的必然性。BiOI光催化降解甲基橙屬于綜合性實驗，其操作簡單、成功率高、知識面覆蓋廣，符合高年級專業的課程標準。BiOI的制備，重點考查了學生的實驗動手能力；BiOI的結構表征與光催化性能的測試，著重考查了學生對理論知識的理解以及運用理論知識解決實際問題的能力。通過學生課堂上的表現和課后對實驗的總結，發現學生在實驗過程中能夠規范操作，對基本的實驗技能掌握較好，但是對圖表的制作、數據的處理以及分析方面較差，這主要源于學生在平時的學習中只注重于書本知識，沒有做到理論聯系實際和對所學專業知識的融會貫通，因此在后續的教學工作中還需進一步強化這方面的鍛煉。

此外，在實驗過程中，我們改變了以往實驗課人數眾多且以單純上交紙質實驗報告的教學方式，采取兩人一組開展實驗，實驗結束后各小組以PPT的形式對實驗進行匯報總結，增強了學生的主觀能動性，加強了老師和學生、學生和學生之間的互動、交流與溝通，對自主學習能力的提高起到了極大的促進作用。學生普遍反映，該綜合創新實驗相較于基礎實驗教學中常規的實驗內容來說收獲頗多，讓他們從真正意義上認識到了科研的基本過程。

7 結語

在信息化時代的今天，我們始終堅持以習近平新時代科技創新思想理論體系為指導，牢記習近平總書記在主持召開科學家座談會上提出的“四個面向”：面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求和面向人民生命健康，無論是在教學還是科研工作中，要真正實現這些偉大的目標就必須將“科”與“教”相結合，只有科教結合協同作用才能培養學生的創新能力，這也是我校“化學工程與工藝”和“應用化學”等國家級一流專業建設的必然選擇。

本實驗項目將納米材料的制備與光催化性能的研究引入本科實驗教學中，不但鍛煉了學生獲取信息的能力，而且加深了學生對理論知識的理解和掌握，激發了學生對科研的興趣和積極性，提高了學生的實驗技能和分析解決問題的能力，后續我們將繼續強化“科”與“教”的結合，爭取構建國內外具有競爭力的一流專業，培育國家和社會所需的高水平創新人才。