1、第 卷 第 期 年 月广 州 化 工.柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料制 备 及 光 电 催 化 实 验 设 计陈 华 军，赵 莉，席 晓 晶（洛 阳 理 工 学 院 环 境 工 程 与 化 学 学 院，河 南 洛 阳）摘 要：结 合 前 期 实 验 成 果，设 计 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 制 备 和 表 征 实 验，考 察 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列材 料 对 罗 丹 明 的 电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 性 能。通 过 上 述 实 验，使 学 生 了 解 光 电 催 化 前 沿 研 究 成 果，熟 悉
2、可 回 收 光 电 催 化 材料 的 制 备 和 表 征 方 法，掌 握 科 研 实 验 的 研 究 过 程 和 研 究 方 法。探 索 以 学 生 为 中 心 的 工 程 教 育 理 念，培 养 学 生 分 析 和 解 决 复 杂 工 程问 题 的 能 力，提 高 环 境 相 关 专 业 应 用 型 和 研 究 型 人 才 培 养 质 量。关 键 词：碳 纤 维 织 物；金 属 铋 纳 米 片；光 电 催 化；研 究 型 实 验 中 图 分 类 号：.文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，.，.，.，.：；环 境 化 学 课 程 形 成 与 世 纪 年 代，属 于 环 境 和
3、化 学 的交 叉 学 科，环 境 化 学 实 验 是 环 境 化 学 课 程 的 主 要 内 容。目前，有 关 环 境 化 学 的 研 究 日 新 月 异，而 环 境 化 学 实 验 内 容 未 能跟 上 环 境 化 学 的 研 究 步 伐，实 验 内 容 相 对 落 后。为 了 真 实反 映 环 境 化 学 最 新 的 研 究 状 况，需 要 将 环 境 化 学 的 前 沿 研 究 引入 到 环 境 化 学 实 验，使 学 生 了 解 环 境 化 学 学 科 发 展 的 前 沿 成果，探 索 以 学 生 为 中 心 的 工 程 教 育 理 念，培 养 学 生 分 析 和 解 决复 杂 工 程
4、 问 题 的 能 力，提 高 环 境 相 关 专 业 应 用 型 和 研 究 型 人 才培 养 质 量。在 环 境 化 学 的 前 沿 研 究 中，采 用 高 级 氧 化 技 术 处 理 环 境 中有 机 污 染 物 的 研 究 备 受 关 注。在 众 多 的 高 级 氧 化 技 术 中，半 导 体 光 催 化 技 术 属 于 热 点 内 容。对 于 水 中 有 机 污 染 物 的半 导 体 光 催 化 降 解，粉 末 半 导 体 光 催 化 材 料 在 水 中 分 散 困 难，并 且 使 用 完 成 后 难 以 回 收。为 了 解 决 上 述 问 题，需 要 将 纳 米 粉末 半 导 体 光
5、 催 化 材 料 生 长 在 宏 观 材 料 表 面。作 为 一 种 新 颖 的 金 属 纳 米 光 催 化 材 料，纳 米 金 属 铋 具 有 较高 的 光 吸 收 能 力、光 生 电 子 空 穴 分 离 效 率 和 比 表 面 积，在 有机 污 染 物 降 解 方 面 表 现 出 优 良 的 光 催 化 性 能。另 外，碳 纤 维织 物 属 于 宏 观 的 载 体 材 料，并 且 具 有 优 良 的 导 电 性 能，可 以 有效 促 进 金 属 铋 纳 米 片 光 生 电 子 空 穴 的 分 离。因 此，本 实 验 设计 将 金 属 铋 纳 米 片 通 过 化 学 外 延 生 长 在 碳
6、织 物 表 面，制 备 了 宏观 的 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料，制 备 的 阵 列 材 料 不 但 易于 分 离 和 回 收，而 且 可 以 作 为 光 阳 极 进 行 光 电 催 化 反 应。实 验 目 的（）查 阅 资 料，了 解 半 导 体 光 催 化 材 料 和 半 导 体 光 催 化 氧化，熟 悉 水 热 法 制 备 半 导 体 光 催 化 材 料 的 实 验 过 程；（）掌 握 半 导 体 光 催 化 氧 化 的 原 理 和 半 导 体 光 电 催 化 氧 化的 原 理，掌 握 半 导 体 光 催 化 氧 化 的 原 理 和 半 导 体 光 电 催 化 氧
7、 化的 实 验 方 法；（）学 习 射 线 衍 射、扫 描 电 镜、漫 反 射 光 谱 等 半导 体 光 催 化 材 料 表 征 方 法 和 原 理。第 卷 第 期 陈 华 军，等：柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 制 备 及 光 电 催 化 实 验 设 计 实 验 原 理.材 料 制 备 原 理在 水 溶 液 中，（）在 碳 纤 维 织 物 表 面 形 成 纳 米 片 阵 列，在 氩 气 保 护 下，纳 米 片 分 解 为 纳 米 片，同 时 又 被 碳 纤 维 还 原 为 金 属 铋 纳 米 片，形 成 柔 性碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料，反 应 方 程 式
8、 如 下：（）（）.光 催 化 和 光 电 催 化 原 理铋 纳 米 片 在 可 见 光 照 射 下，激 发 产 生 光 生 电 子（）和 空 穴（），由 于 碳 纤 维 具 有 优 良 的 导 电 性 能，并 且 其 费 米 能 级 较低，光 生 电 子 迁 移 至 碳 纤 维 的 费 米 能 级，光 生 空 穴 则 留 在 金 属铋 纳 米 片 表 面。光 生 空 穴 可 以 氧 化 或 生 成。光生 电 子 与 水 中 溶 解 氧 反 应 生 成。在 和 共 同 作 用下，有 机 污 染 物 被 氧 化 分 解 为、和 其 它 矿 物 质。（）（）（）（）（）在 外 加 偏 电 压 下，
9、迁 移 至 碳 纤 维 表 面 的 光 生 电 子 通 过 外 电路 到 达 阴 极，光 生 电 子 在 阴 极 与 溶 解 氧 反 应 生 成，外 加 偏电 压 可 以 增 强 光 生 电 子 空 穴 的 分 离 效 果，提 高 对 有 机 物 的 光 催化 氧 化 降 解 效 果。柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 光 催 化 和 光 电 催 化 过 程 中，光 生 电 子 空 穴 的 迁 移 机 制 如 图 所 示。图 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 光 电 催化 系 统 和 光 生 电 子 空 穴 传 输 机 制.实 验 教 学 方 案 的 构 建本
10、 实 验 采 用 线 上 线 下 混 合 教 学 模 式，如 图 所 示。首 先，教 师 通 过 网 络 课 程 教 学 平 台 实 验 内 容，介 绍 半 导 体 光 催 化 的 研究 进 展 和 原 理、材 料 制 备 和 表 征 方 法，提 出 具 体 的 实 验 任 务 和实 验 内 容。学 生 通 过 网 络 课 程 教 学 平 台 下 载 上 述 资 料，并 通 过资 料 查 阅，了 解 金 属 铋 光 催 化 材 料 的 研 究 进 展，掌 握 柔 性 碳 纤维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 制 备 方 法，并 通 过 网 络 课 程 教 学 平 台提 交 初 步 实 验
11、方 案，师 生 通 过 沟 通 交 流 确 定 可 行 的 实 验 方 案，指 导 学 生 完 成 实 验 的 预 习 报 告。实 验 教 学 过 程 中，教 师 负 责 辅 导 答 疑，维 护 实 验 安 全，讲解 仪 器 设 备 使 用 方 法，实 验 结 束 后，教 师 审 核 实 验 数 据，指 导学 生 完 成 实 验 报 告。图 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 制 备 与 表 征实 验 线 上 线 下 混 合 教 学 模 式.实 验 内 容.材 料 制 备以 硝 酸 铋 和 碳 纤 维 织 物 为 原 料，采 用 水 热 法 制 备 柔 性 碳 纤维 铋 纳 米 片 阵
12、 列。首 先，向 水 热 反 应 釜 加 入 去离 子 水 和.尿 素，溶 解 完 全 后 加 入.硝 酸 铋，完 全 溶 解后 再 加 入 碳 纤 维 织 物（，.）。在 下反 应，反 应 结 束 后 取 出 反 应 釜，自 然 冷 却 至 室 温，碳 纤 维织 物 用 去 离 子 水 超 声 洗 涤，在 干 燥。产 物 放 置 在管 式 炉 中，在 氩 气 保 护 下，在 焙 烧。教 师 引 导 学 生 改 变 实 验 条 件，例 如 硝 酸 铋 用 量，研 究 实 验条 件 对 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 形 貌 和 光 电 催 化 性 能 的影 响。.材 料 表
13、 征采 用 射 线 衍 射 仪 对 样 品 进 行 表 征（），采 用 场 发 射扫 描 电 子 显 微 镜（）分 析 材 料 形 貌，采 用 紫 外 可 见 漫 反 射光 谱（）分 析 材 料 的 光 吸 光 性 能。.光 电 催 化 性 能光 电 催 化 实 验 装 置 包 括 光 催 化 反 应 器、直 流 稳 压电 源 和 模 拟 太 阳 光 光 源（，），首 先，向反 应 器 中 加 入 罗 丹 明 溶 液（），再 加 入.硫 酸 钠 固 体（.）作 为 支 持 电 解 质。柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米片 阵 列 材 料 和 碳 纤 维 织 物 为 阳 极 和 阴 极，二 者 水
14、平 放 置 在 罗 丹明 溶 液 中，入 射 光 从 上 部 照 射 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材料，同 时 在 阳 极 和 阴 极 之 间 施 加 适 当 的 偏 压，进 行 光 电 催 化 反应。按 照 上 述 实 验 条 件，不 施 加 偏 压 进 行 光 催 化 反 应。另 外，不 用 入 射 光 照 射 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料，仅 在 阳 极 和阴 极 之 间 施 加 适 当 的 偏 压，进 行 电 催 化 反 应。实 验 过 程 中，采 用 分 光 光 度 法 测 定 剩 余 罗 丹 明 浓 度（），结 合 罗 丹 明 原 始 浓 度
15、值（），采 用 下 式 计 算 罗 丹 明 降 解 率（）。（）广 州 化 工 年 月 实 验 结 果.分 析图（）为 水 热 产 物 的 图 谱，由 图 可 见，图 谱与 碳 酸 氧 铋 衍 射 峰 一 致（.），说 明 合成 产 物 为 柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋 纳 米 片 阵 列 材 料。未 检 出 碳 纤维 织 物 的 衍 射 峰，说 明 碳 纤 维 织 物 表 面 被 碳 酸 氧 铋 纳 米 片 完 全覆 盖。图 柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋 纳 米 片 阵 列 图 谱（）；柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 图 谱（）.（）（）图（）为 氩 气 保 护 下
16、焙 烧 产 物 的 图 谱，由 图 可 见，图 谱 与 金 属 铋 衍 射 峰 一 致（）。说 明 合 成 产 物 为 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料。同 样 未 检 出碳 纤 维 织 物 的 衍 射 峰，说 明 碳 纤 维 织 物 表 面 被 金 属 铋 纳 米 片 完全 覆 盖。上 述 实 验 结 果 说 明，水 热 合 成 产 物 柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋纳 米 片 阵 列 材 料 中 的 碳 酸 氧 铋 在 焙 烧 过 程 中 分 解 为 氧 化 铋，同 时，在 高 温 条 件 下，氧 化 铋 又 被 碳 纤 维 还 原 为 金 属 铋，从 而制 备 了
17、柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料。.分 析图 为柔 性碳 纤维 铋纳米片 阵 列 材 料 的 图 像，由 图 可 见，碳 纤 维 表 面 被 金 属 铋 纳 米 片 完 全 覆 盖，实 验 结 果 与 分 析 一 致。碳 纤 维 表 面 金 属 铋 为 纳 米 片 状，垂 直 生 长 在 碳 纤 维表 面。综 合 和 实 验 结 果，以 硝 酸 铋 和 碳 纤 维 织 物 为原 料，采 用 联 合 水 热 和 焙 烧 法 可 以 在 碳 纤 维 表 面 生 长 铋 纳 米 片阵 列 材 料，从 而 制 备 了 易 于 分 离 和 回 收 的 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米片
18、阵 列 材 料。图 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 图 像.吸 收 光 谱 分 析碳 酸 氧 铋 和 金 属 铋 分 别 为 半 导 体 光 催 化 材 料 和 金 属 等 离 子体 光 催 化 材 料，均 可 以 催 化 氧 化 有 机 污 染 物。光 催 化 材 料 的 光催 化 性 能 首 先 取 决 于 光 吸 收 能 力，因 为 光 吸 收 能 力 越 强，产 生的 光 生 电 子 空 穴 的 数 量 就 越 多。图 对 比 了 柔 性 碳 纤 维 碳 酸氧 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 和 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 漫 反 射
19、 光 谱，由 图 可 见，柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋 纳 米 片 阵列 材 料 对 紫 外 光 可 见 光 具 有 较 强 的 吸 收 能 力。而 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 对 紫 外 光 可 见 光 近 红 外 光 均 具 有 较 强 的 吸收能 力，属于 全 光谱 响应金 属等 离 子 体 光 催 化 材 料，对 紫 外 光 可 见 光 近 红 外 光 的 吸 收 能 力 远 大 于 柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋 纳 米片 阵 列 材 料。因 而，柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 光 催 化性 能 大 于 柔 性 碳 纤 维 碳
20、 酸 氧 铋 纳 米 片 阵 列 材 料。图 柔 性 碳 纤 维 碳 酸 氧 铋 纳 米 片 阵 列 和 柔 性碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 的 漫 反 射 光 谱 对 比.催 化 性 能 对 比图 对 比 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 的 电 催 化、光催 化 和 光 电 催 化 降 解 性 能，由 图 可 见，柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米片 阵 列 材 料 对 罗 丹 明 的 电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 降 解 率 分别 为.、.和.，光 电 催 化 降 解 率 大 于 电 催 化 和光 催 化，尤 其 是 大 于 二 者 之 和，说 明
21、在 光 电 催 化 过 程 中，电 催化 和 光 催 化 存 在 协 同 效 应。实 验 结 果 说 明，本 实 验 制 备 的 柔 性碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 不 但 可 以 解 决 粉 末 光 催 化 材 料 的 分离 和 回 收 难 题，而 且 可 以 作 为 光 阳 极 进 行 光 电 催 化 降 解 实 验，并 取 得 了 优 异 的 光 电 催 化 降 解 效 果。第 卷 第 期 陈 华 军，等：柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 制 备 及 光 电 催 化 实 验 设 计 图 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 电 催 化、光 催
22、 化 和 光 电 催 化 降 解 罗 丹 明 效 果 对 比.，.循 环 稳 定 性图 考 察 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 电 催 化、光 催化 和 光 电 催 化 降 解 罗 丹 明 的 循 环 稳 定 性，由 图 可 见，作 为一 种 新 颖 的 可 回 收 催 化 材 料，柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料在 电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 过 程 中 均 表 现 出 优 良 的 循 环 稳 定性，经 过 循 环 实 验，柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 在 电 催化、光 催 化 和 光 电 催 化 性 能 无 显
23、 著 变 化，说 明 本 实 验 制 备 的 柔性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料 具 有 优 良 的 电 催 化、光 催 化 和 光电 催 化 稳 定 性，可 以 解 决 粉 末 光 催 化 材 料 的 分 离 和 回 收 难 题，有 利 于 促 进 电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 的 工 业 化 应 用。图 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列 材 料电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 循 环 稳 定 性.，结 语本 实 验 将 光 电 催 化 的 前 沿 研 究 成 果 引 入 环 境 化 学 实 验 课程，设 计 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米
24、 片 阵 列 材 料 的 制 备 和 表 征 实 验，并 以 罗 丹 明 为 降 解 对 象，考 察 了 柔 性 碳 纤 维 铋 纳 米 片 阵 列材 料 的 电 催 化、光 催 化 和 光 电 催 化 性 能。通 过 上 述 实 验，使 学生 了 解 了 光 电 催 化 前 沿 研 究 成 果，熟 悉 了 可 回 收 光 电 催 化 材 料的 制 备 和 表 征 方 法，掌 握 科 研 实 验 的 研 究 过 程 和 研 究 方 法。探索 以 学 生 为 中 心 的 工 程 教 育 理 念，培 养 学 生 分 析 和 解 决 复 杂 工程 问 题 的 能 力，提 高 环 境 相 关 专 业
25、应 用 型 和 研 究 型 人 才 培 养 质量。影 响 实 验 结 果 的 因 素 很 多，上 述 实 验 仅 考 察 了 部 分 影 响 因素。因 此，教 师 可 以 通 过 线 上 和 线 下 教 学，引 导 学 生 思 考 其 它相 关 影 响 因 素。学 生 通 过 查 阅 相 关 资 料，可 以 对 实 验 内 容 进 行拓 展，在 碳 纤 维 织 物 表 面 生 长 其 它 形 貌 的 金 属 铋，或 者 在 碳 纤维 织 物 表 面 生 长 其 它 半 导 体 光 催 化 材 料，培 养 学 生 的 科 研 创 新能 力。参 考 文 献 汪 群 慧，宋 娜，陈 月 芳，等.本
26、科 生 与 研 究 生 环 境 化 学 课 程 教 学 内容 和 模 式 的 差 异 大 学 化 学，（）：.王 丽 梅，孟 昭 福，张 增 强，等.环 境 化 学 课 程 教 学 改 革 与 实 践 中国 大 学 教 学，（）：.王 强.多 媒 体 教 学 在 环 境 化 学 课 程 中 的 改 革 与 实 践 西 南 师 范大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：.马 玖 彤，宋 乃 忠，贾 琼.开 放 实 验：磁 性 光 催 化 剂 合 成 及 其 对 丁 基黄 药 的 降 解 化 学 教 育（中 英 文），（）：.陈 华 军，席 晓 晶，李 冬.用 理 念 建 设 高 校 化 学
27、化 工 实 验“金课”广 州 化 工，（）：.谢 爱 娟，陶 依 洋，金 响，等.凹 凸 棒 土 制 备 及 应 用 的实 验 设 计 化 学 教 育（中 英 文），（）：.白 璐，管 景 奇.单 原 子 铂 催 化 剂 的 制 备 及 其 低 温 催 化 氧 化 一 氧 化碳 化 学 教 育（中 英 文），（）：.，.：，（）：.，.：，：.，.：，（）：.，.，（）：.，.，（），（）：.，.，：.，.，：.，.，（）：.，.，：.彭 银，张 明 颖，熊 言 林.碳 酸 氧 铋 光 催 化 剂 的 合 成 与 光 催 化 降 解有 机 染 料 化 学 教 育（中 英 文），（）：.，.：.，（）：.，.（），（）：.，.，：.
