综合创新实验:水溶性荧光防伪墨水YVO4:Eu3+纳米材料的合成与表征*

将科研前沿成果引入到综合化学实验的设计中,设计了面向材料化学专业的创新综合实验:在微波辐射辅助加热的条件下,合成了YVO₄:Eu³⁺纳米材料,并对该材料进行了结构表征。该材料的水相溶胶在紫外光激发下,具有很强的荧光效应,可用作荧光墨水进行特殊图案的打印与书写,其在安全防伪领域具有很大应用潜力。通过材料的实际使用,可加深学生对新材料研究的重视,激发学生的科研兴趣,在培养学生动手实验能力的同时,培养学生创新能力和自主学习能力。     

NdCl3-AlCl3-H2C2O4体系稀土沉淀热力学研究

稀土矿在浸出过程中杂质离子将随稀土离子一同浸出进入稀土料液中,针对稀土料液中Al³⁺离子杂质对后续萃取过程乃至最终稀土纯度造成不利影响的问题,根据同时平衡原理,对Nd Cl₃-Al Cl₃-H₂C₂O₄体系进行热力学平衡计算,绘制出该体系中各离子lgc-p H图,对其中的计算过程思路与依据进行解释说明,分析了边界条件变化以及各沉淀稳定区形成原因。通过改变草酸浓度,对体系中总钕与总铝含量以及沉淀稳定区域随p H变化的情况进行讨论与分析。研究结果表明,理论上1

11.74条件下均能保证钕沉淀而铝不沉淀析出,结合实际生产情况,着重考察高酸度条件下Nd₂(C₂O₄)₃的沉淀稳定区。草酸浓度超过与钕离子完全结合生成草酸钕沉淀所需浓度时,Nd₂(C₂O₄)₃     

BiOBr/g-C3N4 S型异质结无H2O2光-自芬顿高效催化降解RhB

通过焙烧-超声混合法成功地制备了BiOBr/g-C₃N₄S型异质结复合光催化剂。采用多种表征手段对样品物理属性进行了表征,包括X射线多晶粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)。研究了所制备样品有/无Fe³⁺的光-自芬顿催化/光催化降解罗丹明B(RhB)性能。通过捕获实验确定了光催化反应中的主要活性物种,提出了光-自芬顿反应的降解机理。研究结果表明,BiOBr/g-C₃N₄S型异质结能原位生成H₂O₂,添加Fe³⁺后,H₂O₂被原位活化成活性物种且光生电流和载流子分离效率获得显著提高。该光-自芬顿过程能高效降解RhB,其反应速率常数为0.208 min^-1,约为无Fe³⁺光催化反应速率常数的5.3倍,在光-自芬顿循环使用过程中表现出良好的稳定性。Fe...     

多孔MOFs(UiO-66和UiO-68)合成与表征的综合性大学化学实验*

结合科研工作设计了一个综合性大学化学实验--多孔MOFs(UiO-66,[Zr₆O₄(OH)₄(BDC)₄]_n (H₂BDC=对苯二甲酸)和UiO-68,[Zr₆O₄(OH)₄(ATDA)₄]_n (H₂ATDA=2′-氨基-[1,1′:4′,1″-三联苯]-4,4″-二羧酸))的合成、表征及相关性能研究。该设计实验选择具有不同长度的配体与锆离子组装得到晶态材料,整个实验过程包括有机合成、溶剂热合成、X射线单晶衍射和粉末衍射、红外光谱、热重分析等内容,综合了各大化学知识点于一身。经过此实验,学生不仅能有效了解并掌握MOFs材料的合成、性能测试与相关仪器的操作,还可做到理论结合实际、基础知识结合现代科研手段,培养学生的化学科研素养。     

Se掺杂WO3·0.5H2O/g-C3N4光电催化剂的析氢反应性能

以二氰二胺、硒粉和钨酸钠为前驱体,采用一锅法成功制备出Se掺杂WO₃·0.5H₂O/g-C₃N₄(Se/WCN)催化剂。并采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对样品的物相结构、形貌及化学组成进行表征。与原始的WO₃和g-C₃N₄相比,Se/WCN催化剂的起始电位降到了-0.75 V(vs RHE),电流密度高达70 mA·cm^-2,表现出更高的电催化活性。而光照后,Se/WCN的催化性能进一步提升,起始电位从-0.75 V(vs RHE)降至-0.65 V(vs RHE),电荷转移电阻由371.4Ω减小到310.0Ω。     

沉淀方式对微波辐射老化制备CuO/ZnO/Al2O3催化剂性能的影响

采用微波辐射老化沉淀母液的方法,着重考察了沉淀方式对制备的CuO/ZnO/Al₂O₃催化剂及其前驱体的结构和催化性能的影响。实验结果表明,沉淀方式对催化剂的活性和稳定性影响较大,其活性顺序为分步沉淀法二＞并流共沉淀法＞分步沉淀法一＞反加法＞正加法。通过XRD、DTG、H₂-TPR等表征分析表明,先并流沉淀Al(NO₃)₃溶液和Na₂CO₃溶液,再并流沉淀Cu(NO₃)₂-Zn(NO₃)₂混合溶液与剩下的Na₂CO₃溶液,然后微波辐射老化所制备前驱体中含有更多的绿铜锌矿 (Cu,Zn)₅ (CO₃)₂(OH)₆物相,焙烧后形成的CuO-ZnO协同作用强,且CuO分散性好,H₂还原温度较低,催化活性和稳定性也较高。     

Fe2O3/Al2O3氧载体制备方法的研究

采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热合成法、低热固相合成法、机械混合法、燃烧合成法和冷冻成粒法制备铁基氧载体Fe₂O₃/Al₂O₃,并通过物理和化学表征手段来筛选和优化制备方法和制备工艺。对煅烧后的氧载体进行硬度测试,结果表明,溶胶-凝胶法、共沉淀法、机械混合法、燃烧合成法和冷冻成粒法制备的氧载体硬度较高;载体的X射线衍射(XRD)谱图表明,各种制备方法均能制得物相组成为Fe₂O₃/Al₂O₃的氧载体,且随着煅烧温度的提高、煅烧时间的延长,氧载体的结晶度、晶体粒径逐渐增大,煅烧温度1 200℃的氧载体的机械性能、晶体结构、晶相组成更稳定。借助化学吸附仪的程序升温还原(TPR)实验表征氧载体的反应活性,并计算氧载体活性度。综合物理和化学表征实验结果表明,最优制备方法为溶胶-凝胶法和冷冻成粒法。     

Ce0.75Zr0.25O2的制备及其催化净化汽车尾气

基于CeO₂基氧化物制备及应用于环境保护的已有创新性成果，将其设计转化成为适合本科生的综合创新实验。在转化过程中设计了一系列的对照组，考察了沉淀pH、沉淀剂种类、过滤方式等制备条件及不同铈锆比例等因素对氧化物性能的影响。结果表明，采用环境友好的碳酸钠沉淀剂，pH控制在8–10范围内，通过简单易行的共沉淀法制得的Ce_0.75Zr_0.25O₂氧化物，催化性能优异，污染物转化效率可达95%。本实验将前沿科技与经典实验结合，体现了科教融合和创新发展的教学理念，顺应了科技治污的号召，有益于培养学生的科学思维和创新能力，有利于提高学生环保和稀土资源战略意识，增强社会责任感和民族自豪感。     

基于CdSe@CdS/壳聚糖/gC3N4复合物的卡那霉素电化学发光适配体传感器

利用核壳型的CdSe@CdS量子点作为发光物质,并用壳聚糖(CS)、类石墨烯氮化碳(gC₃N₄)与CdSe@CdS量子点合成了CdSe@CdS/CS/gC₃N₄复合物,将该复合物修饰至玻碳电极(GCE)表面,将适配体(Apt)的互补DNA链(cDNA)通过化学反应连接到量子点上,Apt与cDNA发生杂交反应而被修饰至电极表面。将辣根过氧化物酶(HRP)固定到该修饰电极表面,构建了检测卡那霉素(Kana)的电化学发光(ECL)适配体传感器。通过生物催化沉淀(BCP)方法实现Kana的检测,溶液中无Kana时,在H₂O₂的存在下,修饰在电极上的HRP可以催化氧化4-氯-1-萘酚(4-CN),在电极表面产生不导电的苯并-4-氯己二烯酮沉淀,导致电化学发光信号明显降低。溶液中存在Kana时,Kana会与Apt特异性结合,部分dsDNA解旋,导致部分HRP从电极表面脱落,BCP反应减弱,导致ECL信号增强,实现目标物质的特异性检测。计算适配体传感器在Kana溶液中的...     

KBrO3-Na2SO3-K4Fe(CN)6体系pH振荡可控调节模拟研究

作为非线性化学的重要分支,pH振荡在生物学、物理学、医药学等众多领域中都发挥着重要的作用,需重点关注pH振荡反应机理及其数学模型的研究。本文通过实验验证化学计量网络分析(SNA)模型的准确性,并研究了KBrO₃-Na₂SO₃-K₄Fe(CN)₆反应体系(BSF反应)的动力学机理,结果表明流速越大,振荡反应振幅越小,周期越大。将遗传算法与传统的SNA模型进行结合,建立了pH振荡可控调节的方法,实现了BSF反应的周期与微幅值控制,指导应用中对振荡反应的可控调节。     

“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。     

W18O49/NH2-UiO-66复合催化剂的高效光催化CO2环加成

以2-氨基对苯二甲酸(H₂ATA)为配体,通过溶剂热法合成了Zr基MOF:NH₂-Ui O-66,继而以氯化钨为前驱体,通过溶剂热法实现了富含氧空位的缺陷氧化钨(W₁₈O₄₉)在NH₂-Ui O-66上的原位生长,构建了具有典型Ⅱ型异质结的复合光催化剂W₁₈O₄₉/NH₂-Ui O-66。通过粉末X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和紫外可见漫反射光谱对催化剂的组成与结构进行了表征。在室温常压、模拟太阳光下,以氧化苯乙烯为模型底物,对所有样品的光催化活性进行了考察,W₁₈O₄₉/NH₂-Ui O-66展现了最高的碳酸苯乙烯酯产率(58 mmol·g^-1·h^-1)。     

氟掺杂富锂锰基层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的合成及其性能

本研究以硫酸锰、硫酸钴、硫酸镍、碳酸钠和氟化铵为原料,通过共沉淀法结合高温煅烧法合成氟掺杂富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O_1.92F_0.08。通过扫描电子显微镜(SEM)对样品形貌进行观察,利用X-射线衍射(XRD)技术表征晶体结构,利用X-射线能谱仪(EDS)对样品元素分布进行测试,对材料进行恒电流充放电并研究其电化学性能。结果表明：氟掺杂后的富锂锰基正极材料微观形貌没有发生明显变化并保持层状结构;氟原位掺杂的样品在电流密度为1 C时循环65圈后,放电比容量为179 mAh/g,容量保持率为91.89%,高于未掺杂的样品87.5%,有效改善了材料的循环性能。     

Fe(Ⅲ)Ox/ZnO催化剂的制备及其光催化CH4氧化性能

基于浸渍法制备了不同Fe含量的nFe(Ⅲ)O_x/ZnO光催化剂,并对所得样品进行了XRD、N₂吸附-脱附、TEM、XPS、UV-vis以及PL表征。结果发现,通过改变浸渍液中Fe物种的浓度,能够实现最终样品中Fe含量的调控,在实验涉及的范围内,Fe的负载没有造成ZnO载体在晶相、形貌和孔道结构等方面的显著变化,但却改变了催化剂表面的电子状态,从而引入了更多的O空位。此外,Fe的修饰增加了光生载流子的分离效率,显著提升了样品的CH₄光催化性能。通过对溶剂体积,H₂O₂浓度以及反应时间等参数的优化,0.1Fe(Ⅲ)O_x/ZnO样品表现出了最佳的性能,其液相氧化产物(CH₃OH、CH₃OOH、HCHO)的产率和选择性分别达到了5443μmol/(gcat·h)和99%。基于自由基捕获实验,发现H₂O₂在光生载流子的作用下形成的·O₂^-     

磁性纳米Fe3O4制备及在酵母RNA提取分析中的应用

磁珠法提取核酸是新冠病毒核酸检测的关键一环。基于此，以安全无毒的酵母RNA为对象，开发了一个涉及多学科化学知识交叉的综合实验，包括Fe₃O₄纳米磁珠制备与表征、RNA提取方法建立与机制探究、实际样品应用等。本实验既能锻炼学生综合运用化学知识和实验手段解决实际问题的能力，又能引导学生关注公共事件，培养其社会责任感。     

用硝酸银溶液沉淀及分步沉淀卤素离子的数字化实验研究*

卤化银难溶电解质的沉淀溶解平衡是中学化学教学的重要知识点。应用本项目组研制的MXLab21先进数字化实验系统,结合银硫离子电极,测定AgNO₃溶液沉淀Cl^-,Br^-,I^-及其混合离子的沉淀曲线,即电动势(E)随AgNO₃溶液体积(V)变化的关系曲线。3种单一离子的沉淀曲线可以直观体现出滴定的电动势突跃范围与相应沉淀的溶度积大小的关系及其规律性变化。通过混合离子的沉淀曲线分析3种离子两两混合或3者混合时分步沉淀的可行性。Cl^-,Br^-,I^-的沉淀及分步沉淀的动态E-V曲线的建立,对中学化学教学具有重要作用,对化学学科核心素养的发展和培养具有重要价值。     

TiO2改性的镁基中温吸附剂及其CO2吸附性能的研究

采用沉淀法合成一系列TiO₂改性的镁基吸附剂,利用XRD、SEM和氮气吸附等方法对吸附剂进行表征,通过变温吸附-脱附动态循环实验考察其CO₂吸附性能。随着TiO₂含量的增加,样品的结晶度逐渐下降,同时由于焙烧后生成钛酸镁,样品比表面积逐渐减小。当TiO₂添加量为2%(质量分数),此时吸附剂呈直径为4.0~5.0μm的球形,局部为纳米片状结构,该吸附剂自第二次循环开始吸附能力无明显变化;经过50次变温吸附脱附循环实验后,动态吸附容量可达6.64%(质量分数),这是由于TiO₂改性后生成的钛酸镁为该吸附剂提供了刚性骨架,促进了活性组分的分散,并提高了吸附剂的稳定性。     

综合创新设计实验:“均相反应、异相回收”[PIMPS]H2PW12O40双功能催化剂在酯化、氧化反应中的应用*

磺酸类离子液体及多酸催化剂是近年来应用广泛的2类高效环境友好型催化剂,实现2类催化剂组装成单组分双功能化环保型催化剂并运用到大学有机化学实验中,替代现行实验中常用的强腐蚀性、强氧化性的浓硫酸,是未来实验内容改革的方向之一。本实验合成的[PIMPS]H₂PW₁₂O₄₀(PIMPS=1-丙基-3-磺酸基丙基咪唑磺酸盐)催化剂经¹H NMR、IR确证了结构,并将其应用于苯甲酸乙酯合成、苯甲硫醚氧化反应中。实验结果表明,此单组分催化剂具有酸催化、氧化催化双功能特性,催化效果良好,具有可重复使用、无腐蚀性等显著优点。在催化反应中兼具均相催化和非均相催化特点,催化剂能够实现在反应体系中的均相反应、异相回收。通过此实验的开展,培养了学生依据绿色化学理念发现问题、解决问题的创新能力和创新意识,有利于学生深入理解单组分双功能催化剂的概念,有效地达到理论和实践的有机结合。     

中空管状g-C3N4/Ag3PO4复合催化剂的制备及其可见光催化性能

用化学沉淀法制备中空管状g-C₃N₄/Ag₃PO₄复合催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱对其结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明：Ag₃PO₄纳米颗粒均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。研究复合催化剂在可见光照射下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。结果显示：复合催化剂在80 min内对TC的降解率为98%,其降解反应速率常数是纯相Ag₃PO₄的3倍。经过5次循环实验后复合催化剂对于TC的降解率仍保持87%,具有优良的循环稳定性。捕获实验表明空穴(h⁺)和超氧负离子(·O^-₂)是光催化反应过程中的主要活性物种。根据能带理论,提出了复合催化剂异质结的Z型光催化机理。     

环境化学开放性实验设计:重金属污染土壤的化学淋洗*

介绍了一个开放性环境化学实验。该实验以被重金属污染的土壤为研究对象,分别使用稀盐酸、乙二胺四乙酸、氯化钙为淋洗剂,对其进行化学淋洗修复。通过电感耦合等离子体光谱仪分析比较修复前后土壤中铅、镉的含量,用以帮助学生加深理解配合/螯合作用、酸-碱反应、离子交换反应、胶体的性质、土壤重金属形态、土壤性质与组成等相关环境化学知识。实验所用的土壤样品由学生自选,不同类型土壤的理化性质影响淋洗效果,从而增加了实验结果的不确定性。本实验贴近学科前沿且联系工程实际,可激发学生独立思考和探索精神,提高学生的科研能力与解决复杂问题的能力。