基于設計型實驗方法探索材料化學教學模式*

曹振興，袁 鳳，秦余楊，梁鳳芝

(常熟理工學院材料工程學院，江蘇 常熟 215500)

基于設計型實驗方法探索材料學教學新模式是一種創新的教學方式，旨在提高學生的實踐能力和創新能力。本文將以創新訓練項目《二硫化鉬納米片對汞污染水的穩定化研究》為例，介紹基于設計型實驗方法探索材料化學教學模式，使得學生能夠基于科學原理并采用科學方法對材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題進行研究，包括實驗設計、數據分析與解釋，并通過信息綜合等得到最后合理有效的結論[1]。

1 問題分析

要求：能夠運用數學、自然科學、工程科學的基本原理，結合文獻研究，識別、分析和表達相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題的關鍵環節，并通過影響因素分析，獲得有效結論[2]，具體如下：

(1)針對高分子材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題，能夠通過自然科學、工程科學的基本原理，識別和判斷其關鍵環節；

(2)針對高分子材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題，能夠通過數學及工程科學的方法對復雜工程問題的關鍵環節進行正確表達；

(3)能認識到解決問題有多種方案可選擇，會通過文獻研究尋求不同的解決方案；

(4)能運用工程科學的基本原理，借助文獻研究，分析材料科學與工程專業領域中相關復雜工程問題關鍵環節的影響因素，并通過影響因素分析，獲得有效結論。

本課程指導老師提出的科學問題為：如何解決水中重金屬汞嚴重超標的問題？同學們根據研究主題和關鍵詞，制定了合適的檢索策略，以便從大量的文獻中篩選出相關度較高、質量較好的文獻。隨后對檢索到的文獻進行篩選，排除不相關或者質量較低的文獻，保留相關度較高、質量較好的文獻。對篩選出來的文獻進行仔細閱讀和分析，了解已有研究的情況和進展，以及研究的不足之處。最終選擇了二硫化鉬納米片作為吸附材料，文獻分析二硫化鉬吸附汞的優勢主要體現在以下幾個方面：

①高吸附容量：二硫化鉬具有高比表面積，可以提供大量的吸附位點，從而有效地吸附廢水中的汞離子。其吸附容量遠高于傳統吸附劑，這使得二硫化鉬在處理含汞廢水時具有更高的效率。

②選擇性吸附：二硫化鉬對汞離子具有良好的選擇性，可以高效吸附汞離子而不影響其他離子的吸附。這種選擇性吸附特性有助于在復雜的廢水環境中實現汞的有效去除。

③易于再生：二硫化鉬具有良好的可再生性，可以通過簡單的處理方法實現吸附劑的再生和重復利用。這不僅可以降低處理成本，還有助于減少廢棄物的產生。

④環境友好：二硫化鉬作為一種無機材料，具有良好的化學穩定性和環境友好性。在使用過程中不會產生有毒有害物質，對環境和人體健康無害。

⑤多種去除機制：二硫化鉬不僅可以通過吸附作用去除汞離子，還可以通過光催化、電催化等方式對汞進行降解，進一步提高其治理效果。這種多種去除機制的協同作用使得二硫化鉬在處理含汞廢水時具有更高的靈活性和適應性。

2 設計/開發解決方案

要求：能夠針對高分子材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題，提出設計出解決方案，解決方案中能夠體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素[3]。

(1)掌握高分子材料或化學領域中相關產品開發的基本方法和技術，了解影響產品開發技術方案的各種因素；

(2)具備高分子材料或化學領域中相關產品設計/開發的技能，能夠針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的技術路線或工藝方法；

(3)能夠針對高分子材料或化學領域中相關產品，綜合設計其工藝流程、技術路線，在設計中體現創新意識；

本課程同學設計了采用二硫化鉬納米片對汞污染水進行吸附處理，研究過程包括不同摻比及反應時間。同時將高吸汞能力的二維納米片用于汞污染水的處理，通過SEM及XPS等分析測試手段來確定二硫化鉬納米片吸附汞離子的機理。

3 項目研究

在掌握專業知識、常用檢測儀器與設備使用和實驗技能的基礎上，能針對高分子材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中的復雜工程問題開發實驗設計、組織實施實驗工作、收集實驗數據，并對數據進行綜合分析與解釋，最終得到有效結論。體現了學生在新材料領域開展實驗研究應具備的能力[4]。

(1)能夠基于材料科學原理，通過文獻研究或相關方法，調研和分析高分子材料或化學領域中相關產品技術研發、工藝設計及產品生產過程中復雜工程問題的解決方案；

(2)能夠根據高分子材料或化學領域中相關復雜工程問題的技術特征，選擇恰當的研究路線，并設計出具體的實驗方案；

(3)能夠根據實驗方案構建實驗系統，包括實驗原料選擇，裝置選擇與安裝，工藝參數設定與監控等，并能安全地開展實驗，正確地采集數據；

(4)能夠對實驗結果和數據進行分析、處理和解釋，撰寫報告，并通過信息綜合得到合理、有效的結論。

本課程的具體研究內容如下：

①起始汞濃度和吸附時間對吸附的影響

二硫化鉬有類似石墨烯的片層結構，中間是由一層鉬原子組成，兩邊由硫原子組成，這樣的片層結構使得二硫化鉬中的硫原子充分暴露，使得與重金屬汞離子有很多的吸附位點，因此二硫化鉬是目前已知的汞吸附容量最高的材料[5]。在前期的實驗驗證中，本實驗通過二硫化鉬處理汞污染水來驗證二硫化鉬的吸附汞的效果。分別考慮了起始汞濃度和吸附時間對二硫化鉬吸附汞的效果，并計算二硫化鉬對汞的吸附容量。

為探討不同起始汞濃度對二硫化鉬吸附行為的影響，本課程設計了以下實驗，具體實驗步驟如下：設置吸附溫度為25 ℃、pH為6。分別向5個燒杯中加入理論濃度為25、50、100、200、250 mg/L的汞溶液15 mL，分別加入預先配制好的濃度為100 mg/L的二硫化鉬分散液15 mL，將配好的分散液在25 ℃超聲吸附60 min后進行抽濾，用ICP測試吸附后汞污染水的汞濃度。

從圖1可以看出，當起始汞濃度低于60 mg/mL時，二硫化鉬對汞的吸附容量急劇上升，汞吸附容量從430 mg/mL上升至602 mg/mL，但當起始汞濃度繼續上升時，二硫化鉬對汞的吸附容量增加緩慢，這主要歸因于二硫化鉬對汞的吸附達到飽和，二硫化鉬上對汞的吸附位點減少。從圖中可知，二硫化鉬對汞的最大吸附容量為641 mg/mL。據報道，活性炭去除汞的最大容量大致為50 mg/g到95 mg/g。二硫化鉬納米片具有較大的比表面積，使得其比常見的吸附材料具有更高的汞吸附容量。

圖1 起始汞濃度對二硫化鉬吸附Hg的影響

②二硫化鉬納米片吸附性能微觀表征

通過SEM-EDS分析二硫化鉬吸附重金屬汞后的微觀形貌和化學組成。從圖2可知，SDBS協助水熱法制備的二硫化鉬是由很多納米小球堆積而呈現一種納米花狀球形結構，這與Bai等制備的二硫化鉬有相同的形貌，這種形貌使得二硫化鉬具有較大的比表面積，從而有充分的硫原子暴露，使得二硫化鉬實際最大汞吸附容量達到641 mg/mL。同時本實驗對吸附過汞的二硫化鉬進行EDS面掃以分析Hg、S、Mo三種元素的分布情況，二硫化鉬上Hg元素的分布情況和密度與S和Mo相一致，這表明二硫化鉬有效吸附了重金屬汞[6]。

圖2 吸附汞的二硫化鉬掃描電鏡和能譜圖

圖3 吸附前和吸附后二硫化鉬的XPS全譜(a)，Hg4f、S2p、Mo3d和O1s的XPS精細譜(b～d)

4 結 論

通過設計型實驗方法的實施，本課程成功探索了材料化學教學模式在解決實際問題中的應用。研究結果表明，二硫化鉬納米片作為一種高效的汞吸附材料，在汞污染水處理領域具有廣闊的應用前景。學生在項目實施過程中，不僅加深了對材料化學理論知識的理解，還提高了實驗設計、數據分析和解釋等實踐能力。此外，本課程的成功實施也為今后類似研究提供了有益的參考和借鑒。通過基于設計型實驗方法的材料化學教學模式的探索與實踐，有望培養更多具備創新能力和解決實際問題能力的高素質人才。