研究型综合化学实验设计:碳量子点的制备及其在叶酸检测中的应用

以高校创新型人才培养为目标,设计了一个研究型综合化学实验。以柠檬酸和尿素为原料,通过水热法制备了发射强烈蓝色荧光的碳量子点,表征了其紫外-可见吸收光谱和荧光光谱,进一步研究了该碳量子点在叶酸的检测中的应用。本实验涉及纳米材料制备、表征及应用相关知识,适合作为高年级本科生的研究型综合化学实验,有助于激发学生的研究兴趣和培养学生的科研思维。     

引入前沿科学 培养化学核心素养——以“碳量子点的制备”综合实验设计为例

为培养化学核心素养,让中学生了解前沿科学领域明星材料纳米材料的性质和用途,设计开发了一个基于中学生认知水平的研究型综合实验--碳量子点的制备。以含碳量丰富的生物质材料为原料,通过碳化反应以及多次过滤处理方法制备了一种新型的碳量子点,克服了碳量子点制备所需的高温高压等条件限制,使碳量子点这一新型纳米材料的制备能够在中学化学实验中得以实现,利用荧光灯对碳量子点的荧光性质进行定性表征,并将碳量子点制作成隐形荧光墨水,增加了实验的趣味性和实用性。学生实验证明该综合实验适用于中学化学实验教学和实验能力培养,有助于培养学生的科学探究精神、创新意识和社会责任感。     

氮掺杂多孔石墨烯对硝基和偶氮化合物的催化还原性能——化学相关专业综合实验的设计与实践

针对溶有常见含硝基和偶氮化合物废水处理的问题，设计了无金属碳基催化剂制备及其对此类化合物催化还原的综合实验。实验以氧化石墨烯为原料，经水热法合成碳基催化剂氮掺杂多孔石墨烯或氮掺杂石墨烯，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面分析仪、X射线光电子能谱等对其结构、形貌和元素组成等进行表征，并研究其对硼氢化钠还原硝基和偶氮化合物的性能。该实验涉及碳基催化剂制备、表征和废水处理等多个实验环节，涵盖了物理化学、材料化学和环境化学等多个学科领域。通过该实验可以培养学生的科研思维，提高学生的科研动手能力和用化学知识解决实际问题的能力。     

将功能纳米材料发展前沿融入实验教学——隐形荧光墨水的制备

为了让学生了解纳米材料的性质和用途，开发了一个研究型综合性实验——隐形荧光墨水的制备。通过微波反应快速地制备了一种新型的氮掺杂碳量子点，克服了碳量子点制备繁琐的难题，使碳点的制备能够在实验教学中得以实现，利用透射电镜、X射线衍射、红外光谱以及X射线能谱对碳点的结构和形貌进行表征，利用紫外-可见-近红外光谱仪和荧光光谱仪研究碳点的稳定性和光化学性能；并将该碳点制作成隐形荧光墨水，增加了实验的趣味性和实用性。学生实验证明该综合性实验适用于本科生实验教学。     

矿物基环境修复材料制备及应用的综合性实验设计

为促进“研学结合”,增强学生实际操作能力,依托于化学实验平台设计了“矿物基环境修复材料制备及应用”的化学综合实验。实验内容包括改性沸石材料的制备、表征和应用探索。实验由教师科研成果转化而成,已在本校环境化学综合实验课中进行教学实践,该实验可以使学生掌握文献调研、材料制备与表征、性能分析、数据处理等重要技能,锻炼学生综合实验设计和思维创新的能力,激发了学生探索环境修复材料前沿知识的兴趣。     

荧光碳点的制备及其荧光特性的研究和应用

围绕具有优良荧光发光特性的无机纳米材料——碳点,设计一个本科化学实验。通过"自下而上"的方法分别制备蓝色、绿色荧光碳点溶液;考察荧光碳点溶液的荧光激发和发射光谱关系,相对法测定荧光量子产率;探究不同浓度和pH条件下的荧光光谱变化;并将荧光碳点应用到防伪技术领域,加深学生对荧光材料的相关荧光概念和表征手段如荧光激发光谱、荧光发射光谱、荧光量子产率,术语如Stokes位移和荧光影响因素等理论知识的理解,同时通过防伪应用开拓学生的思维,鼓励学生将课堂所学应用到实际生产生活中。     

过渡金属催化硼-氢键活化合成含硼-杂原子键邻碳硼烷衍生物的研究进展

十二顶点碳硼烷是一类含有碳、氢及硼原子的簇合物,具有特殊的热稳定性和化学稳定性,在医药、材料、能源、配位化学及金属有机化学中都得到广泛的应用.近年来,过渡金属催化的碳硼烷直接硼-氢键活化发展迅速,为硼顶点选择性官能团化提供了一系列新的高效路径.总结了利用过渡金属催化硼-氢键活化策略来实现邻碳硼烷硼-硼、硼-氮、硼-氧、硼-硫及硼-卤键构建的研究进展,同时对部分反应机理进行了讨论,并就该研究领域所面临的挑战和发展前景进行了展望.     

综合化学实验:多孔沸石咪唑框架的制备、表征与染料吸附性能研究

推荐一个以物理化学知识为主、包含无机化学和结构化学内容的综合化学实验。通过简便的室温沉淀方法制备纳米尺寸的多孔材料沸石咪唑框架ZIF-67。利用粉末X射线衍射仪和扫描电子显微镜对化合物的结构和形貌进行表征。通过紫外-可见分光光度计测试化合物对染料分子的吸附性能,深入研究该化合物的固-液吸附过程。本综合实验充分体现了“合成-表征-分析”的基础科学研究过程和“物质-结构-性能”的科研思维模式,使化学基础知识、基本实验技能和前沿学术研究相结合,可以加深学生对基础知识的理解,提高学生的基本实验技能和综合运用学科知识的能力。     

“碳纳米管/SnS2光阳极材料制备”综合性大学化学实验

在科研工作的基础上设计了一个综合性化学实验：利用溶剂热法制备碳纳米管/SnS₂光阳极催化剂材料;采用SEM (扫描电镜)、XRD (X射线衍射)、UV-Vis (紫外-可见吸收光谱)等技术进行表征;运用瞬态光电流响应、电化学阻抗、线性伏安扫描等方法分析材料的分解水性能。该实验让学生掌握材料的制备、表征及应用,培养学生的科研素养;利用实验验证所学知识,培养学生分析问题的能力;结合材料的性能及应用,培养学生能源危机及环保意识。     

基于Suzuki-Miyaura偶联反应探索有机化学反应机理的创新实验设计

Suzuki-Miyaura偶联反应作为构建碳碳键的最有效的手段之一,在制药、催化、先进材料制备等领域有着广泛的应用。介绍了一个有机化学综合创新实验——以Suzuki-Miyaura偶联反应中涉及的有机化学反应动力学为研究背景,探索了该反应体系中各物质浓度对反应速率的影响,解释了该反应的可能机理。通过该综合实验项目,有助于加深学生对Suzuki-Miyaura偶联反应机理的理解,激发学生对化学动力学的科研兴趣,同时提高学生在无水无氧操作和仪器分析的实践水平,培养学生的创新精神。     

碳点的高性能化和功能化改性:方法、特性与展望

碳点作为一种新型碳纳米材料,由于其出色的光学性能、低毒性、良好的生物相容性和易修饰性而被广泛应用于各个领域。为了满足不同领域的需求,几种用以调控碳点光学性能的方法已被提出,例如杂原子掺杂、半导体量子点掺杂、聚合物钝化和改性以及主-客体构建。其中,杂原子掺杂是通过单原子或多原子引入电子给体或受体改变其相邻碳原子的电子密度来增加荧光强度;半导体量子点也可与碳点进行复合提升电子分离效率而起到荧光增强的效果;就聚合物改性而言,聚合物不仅可以对碳点表面实施钝化和功能化,而且其固态(或固化)薄膜可以提供紧密的空间促进碳点表面的辐射跃迁起到荧光增强的效果。此外,由碳点-染料和多孔材料-碳点构成的两种主要的主-客体结构中,前者不仅对碳点的荧光发射强度有着促进的作用,更使得碳点具备了显著的红/近红外荧光发射性能,后者对固态发光碳点不仅提供了可能性和设计的灵活性,且为打开碳点新的应用领域提供了机会。本文将围绕四种碳点功能化的方法逐步展开讨论,并介绍相应碳点的光学性能、发光机理和潜在应用;论述功能化碳点的研究现状,并展望功能化碳点的研究方向。     

碳-磷键构建方法的研究进展

含磷有机化合物在药物化学、材料化学、有机合成化学等领域具有广泛应用,如何高效构建碳-磷键成为有机合成化学领域的研究热点。本文介绍了主要的碳-磷键的构建方法,包括传统的合成方法、常规偶联反应、碳-氢键与磷-氢键直接氧化去氢偶联、磷自由基对不饱和键的多米诺反应及不对称碳-磷键偶联反应等,概述每类方法的优缺点,指出该领域研究目前面临的挑战及发展方向。     

电子能谱线形分析研究碳物种的化学状态

利用ＸＰＳ的ＣＩｓ携上峰,Ｘ射线激发供歇线形,ＸＰＳ价带谱以及俄歇电子能谱的ＣＫＬＬ线形研究了几处碳材料的化学状态和电子结构。研究结果表明：ＸＰＳ的携上效应可以鉴别不同结构的碳材料。ＸＡＥＳＲ 化学位移和线形也可以有效地研究中不同的碳材料的成像方式。ＸＰＳ的价带谱电子结构的一种有效方法,对碳材料的研究也很有效。ＡＥＳ的ＣＫＬＬ俄歇线形非常适合金属碳化物的鉴别。     

环境专业无机化学的碳捕集工程实例教学

以化学吸收在碳捕集工艺中的应用为例,将工程实例教学引入环境专业无机化学课程。该教学应用酸碱质子理论、化学计量学、化学热力学、化学动力学等相关知识,解决了碳捕集工艺中的部分关键问题,即选取适宜的吸收剂及解吸方法,采用合理的方法以提高吸收产量及速率。此外,该教学亦培养了学生的工程和科学研究思维,提高了学生分析和解决相关问题的能力。     

基于碳点的发光材料在潜在手印显现中的应用

遗留在犯罪现场的肉眼不可见的潜在手印是一类重要的痕迹物证,检验鉴定前需要使用一定技术手段将其显现出来。近年来,一些新材料和新技术的引入为手印显现技术的革新注入了新活力,其中稀土发光材料、量子点、荧光金属纳米簇等发光材料在该领域展现出极大潜力。碳点作为具有良好光致发光性能的新型纳米材料,近来逐渐引起了手印显现领域研究人员的广泛关注。本文综述了两类基于碳点材料的手印显现技术国内外研究进展,分别是液体分散碳点用于手印显现和固态发光碳点用于手印显现。具体来说,液体分散碳点显现手印的原理主要基于传统小微粒悬浮液机理或一些特殊效应(咖啡环效应、界面偏析效应);用于手印显现的固态发光碳点包括固态碳点粉末和固态碳点复合粉末两类,合成这些材料时研究人员采用了不同的策略。最后,从三个方面分析了碳点在手印显现应用中面临的问题,即碳点物理形貌和表面性质、碳点光致发光性质以及碳点显现过程与化学生物分析兼容性,并就解决问题的可能途径提出了展望。     

新创综合化学实验：利用NBS-Py体系从电子废弃物中提取单质金

将前沿成果引入到大学本科综合实验,设计了利用NBS-Py体系从电子废弃物中提取单质金的新创综合化学实验。以氧化还原和配位理论为指导,利用N-溴代琥珀酰亚胺-吡啶(NBS-Py)体系温和、低毒和高效的特点,从电子废弃物中绿色提取金单质。该研究实验包含丰富的知识原理、实验技能、表征技术且应用性强,故可有效地转化为综合教学实验。在浸出、提取、还原、煅烧以及结构表征等过程中,始终贯穿以问题为导向的探究式教学模式。本实验可在提高学生基本实验技能的同时,锻炼学生运用基础理论理解实验原理、设计实验方案、自主探究和协调合作的能力,并在实验实施过程中的每一环节都注重提高学生的科研素养和创新能力。     

生物质废弃物碳作为锂离子电池负极材料研究的综合性实验设计

为了拓展能源化工和材料专业高年级本科生的知识领域,设计了综合性实验--生物质废弃物碳作为锂离子电池负极材料研究。实验内容包括生物质废弃物碳的制备、结构表征、电极的制备、模拟电池组装及电化学性能测试等。通过实验操作、电化学工作站和充放电测试仪的使用及数据处理等环节,不仅可以巩固学生所学知识,还能培养他们的创新思维能力和团队意识,进一步提高综合素养水平。     

CdTe水溶性量子点的合成表征及生物毒性测定——一个化学生物学实验

本实验以反应时间为变量,一步水相法合成了具有不同粒径的CdTe量子点。通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱表征不同反应时间得到的量子点,并计算其粒径、浓度以及荧光量子产率。取表征最优的量子点组次,配制成不同浓度,与酵母混合培养,用Biomass法测定CdTe量子点生物毒性。该实验涵盖无机合成相关知识,涉及分析表征方法应用以及量子点对生物细胞活性的影响,化学与生物学科交叉融合,有助于学生科研能力的培养与实验综合能力的提升。     

分子点群虚拟仿真实验的建设与实践*

结合结构化学课程中分子对称性知识点的教学,自主设计和开发了分子点群虚拟仿真实验(PGVL)平台,帮助学生深入认识理解分子对称性知识的重点和难点。该仿真实验采用Web技术构建,支持分子模型的显示和互动,使学生可以完成分子的各种对称操作、指出分子结构中的对称元素、推导分子点群及认识分子结构和性质之间的关系。PGVL在分子对称性教学中的应用,不仅完善了结构化学分子模型实践教学体系,而且提升了学生对结构化学课程的学习兴趣,丰富了结构化学实践教学内容,取得了良好的教学效果。     

碳点增强的Ru纳米颗粒复合材料用于碱性条件下高效电解水析氢（英文）

氢能源被认为是二十一世纪的新型能源,其有望解决由传统化石燃料的过度使用而带来的环境污染和全球变暖等问题。电解水析氢(HER)因其绿色环保的特点引起了巨大的关注。同时,为进一步提升电催化剂的催化性能和降低其制作成本,碳基金属杂化材料被开发出来并表现出高效的催化活性。其中,碳点(CDs)因其合成方便、生物相容性好、色彩丰富、化学稳定性好和优异的电子传导性能,在传感、生物成像及源转换方面有良好的应用潜力。碳点通常作为载体被广泛应用在碳基金属杂化材料电催化剂的构筑上,目前,普遍认为碳点具有优异的限域作用,能够有效地抑制金属纳米颗粒的生长和团聚,从而制备出分布均匀,尺寸可控的碳基金属杂化材料,然而,从小分子原料到碳点的形成过程却鲜有报道。在本研究中,我们以碳点和合成碳点的小分子原料为前驱体,分别制备了氮掺杂的高结晶性碳点负载的钌纳米颗粒杂化材料(Ru@CDs)和小分子负载的钌纳米颗粒杂化材料(Ru@Molecule),探究了小分子在形成碳点的过程中和Ru之间的相互作用以及对电解水析氢反应(HER)性能的影响。同时,我们制备了金属有机骨架(MOF)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GO)等不同载体,构建了不同碳基载体负载的Ru纳米颗粒(Ru@M)。其中,以碳点作为载体制备的Ru@CDs杂化材料,Ru纳米颗粒在尺寸和分散性上都是可控的,活性位点有效暴露,表现出优异的HER活性和良好的稳定性,在电流密度为10 mA·cm~(-2)时的过电位仅为22 mV。研究表明,从小分子到碳点的形成需经过一个中间态,而中间态无限域作用,随着煅烧温度的升高,小分子逐渐向碳点转变。碳点与金属离子之间的配位作用形成这种独特的空间限域作用是形成单分散Ru纳米颗粒的关键。因此,碳点是优异的HER催化剂载体。该工作不仅揭露了碳点的独特的空间限域能力对所负载金属的作用及其对电催化活性的影响,同时也为将来碳点基金属电催化剂的开发提供了参考。