開放式化學實驗設計

孔麗蓉++沈小平

摘 要： 本文設計了一個開放式化學實驗：利用尿素和葡萄糖為原料，表面活性劑P123為造孔劑，通過兩步熱處理法制得多孔氮摻雜石墨烯，利用掃描電鏡、X射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜等表征手段對產物進行組成和結構的表征，同時利用電化學表征技術對材料的儲能性質進行研究。本實驗可以使學生了解碳材料的常規合成方法、掌握化學產物的常用表征手段和電化學儲能性質的研究方法等。本實驗結合科技前沿領域的研究熱點，并綜合有機化學與分析化學等學科的基礎知識，有利于增強學生的實驗技能并培養學生的創新能力。

關鍵詞： 開放式化學實驗 熱處理 氮摻雜石墨烯 儲能性質

化學是一門以實驗為基礎的科學。實驗教學在化學教學中占有重要地位，它不僅應讓學生掌握基本的實驗知識和技能，更重要的是培養學生從實驗中發現問題，并有效分析和解決問題的能力。此外，通過啟發性的教學培養學生創新型的思維模式是實驗教學的重要目的之一。開放式化學實驗不同于基礎實驗教學“照方抓藥”的教學模式，它讓學生選擇感興趣的研究課題，指導老師協助設計和制訂可行方案，這樣可以充分發揮學生的主觀能動性。此外，在實驗結束后，由學生自行對實驗結果進行分析整理，得出結論，并鼓勵其提出具有創新性的改進想法。通過這種方式，培養學生處理數據、積極思考解決問題的能力和創新性的思維模式。

氮摻雜石墨烯獨特的二維結構及化學組成使其不僅具有優異的導電性質和較大的理論比表面積[1]，還具有優異的法拉第電容特性[2]，因此有望在超級電容器或電池的研究中取代傳統的電極材料，制備具有更高比電容和比能量的儲能設備。在實際應用中，由于氮摻雜石墨烯層間存在很強的π-π相互作用，導致其實際比表面積遠小于理論比表面積，從而限制它電容性質的提高。本實驗以尿素和葡萄糖為原料，表面活性劑P123為造孔劑，制備多孔氮摻雜石墨烯材料。產物的多孔結構可以有效地提高其雙電層電容，氮摻雜又可以有效地提高其法拉第電容，因此用其作為超級電容器的電極材料，可以獲得具有高比電容和高比能量的超級電容器。

本實驗通過對尿素、葡萄糖和表面活性劑P123的混合物進行兩步熱處理得到產物。通過掃描電鏡、X射線晶體衍射、傅里葉轉換紅外光譜和拉曼光譜等實驗表征手段對產物的組成和結構進行表征。此外，我們通過將產物負載到泡沫鎳電極載體上，并在三電極體系中，用電化學工作站對其進行循環伏安測試和充放電測試，表征其電化學儲能性質。對多孔氮摻雜石墨烯材料的研究，有望為提高超級電容器的電化學儲能性質提供新的解決方案。

1.實驗部分

1.1實驗試劑和儀器

分析純的尿素、葡萄糖和表面活性劑P123均購自國藥集團化學試劑有限公司，且使用前均未經過進一步純化。產物表征分別在掃描電鏡（日本電子公司，JSM-6480）、X-射線衍射儀（德國布魯克公司，SMARTAPEXⅡCCD）、傅里葉轉換紅外分光光度儀（美國ThermoNicolet公司，NicoletNexus470）、拉曼光譜儀（法國JY公司，JYHR800）上進行。電化學性質使用上海辰華的CHI 760D電化學工作站進行測試。

1.2產物的結構表征

采用掃描電鏡對產物進行微納米形貌表征，采用X-射線衍射對產物進行晶體結構的表征，采用傅里葉紅外光譜和拉曼光譜對產物進行化學組成的表征。紅外光譜測試通過使用溴化鉀壓片，在400-4000 cm-1范圍內掃描得到。拉曼光譜在1000-2500 cm-1范圍內掃描得到。

1.3多孔氮摻雜石墨烯的制備

將10g尿素、0.5g葡萄糖和0.4g表面活性劑混合研磨半小時后，放入坩堝中，加蓋后置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率升溫至550°C，并保溫三小時，反應結束后經自然降溫得到g-C■N■層狀材料。接著將得到的產物置于瓷舟中，在管式爐中于氮氣氣氛下，以5°C/min的升溫速率升溫至800°C并保溫一小時，反應結束后經自然降溫得到多孔氮摻雜石墨烯材料。

1.4產物的電化學性質研究

將8mg多孔氮摻雜石墨烯、1mg乙炔黑、0.1mL聚偏氟乙烯溶液（10mg/mL）混合并進行均勻研磨后，涂到泡沫鎳載體上。將涂覆活性材料后的泡沫鎳片在60°C烘箱中進行干燥，完全烘干后經壓制得到電極片。將制得的電極片作為工作電極，鉑片電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，在3mol/L的氫氧化鉀溶液中進行循環伏安測試和電化學充放電測試，根據得到的數據結果進行計算后得到產物的比電容。比電容的計算公式如下：C=IΔt/mΔV，其中I為電流，ΔV為電壓，Δt為放電時間，m是電極中活性物質（多孔氮摻雜石墨烯）的質量。

2.實驗結果與討論

通過X-射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜表征可以證明合成的產物為氮摻雜石墨烯材料。通過掃描電鏡表征發現產物具有多孔的層狀堆積結構。產物的電化學性質表征證明：和未加表面活性劑制得的氮摻雜石墨烯相比，多孔氮摻雜石墨烯具有更高的比電容和比能量，說明表面活性劑P123可有效提高產物的孔隙率和比表面積，從而提高其比電容和比能量等電化學儲能性質。

學生通過本實驗的文獻調研、實驗設計和具體操作，可以掌握有關超級電容器電極材料的相關知識，熟悉電子天平等設備的使用，并學會樣品常規合成方法中的煅燒法；通過對產物進行各種結構和組成表征，可以掌握掃描電鏡、X-射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜的基本測試原理和方法。最后通過計算并討論研究如何進一步提高產物的比電容，還可以鍛煉學生的數據處理和分析能力，培養學生的創新思維能力。

熱處理法是制備功能材料的一種簡單優異的合成方法，使用此方法可以合成結構多樣且具有功能性的新型無機和有機材料。在本實驗中，我們通過兩部熱處理法合成的氮摻雜石墨烯具有可控的多孔結構和較高的氮摻雜量，作為超級電容器的電極能夠表現出優異的儲能性質。設計該開放實驗的目的在于讓學生了解超級電容器電極材料的基本種類及碳電極材料的最新科研成果，掌握基本的制備方法和表征手段，提高分析處理數據的能力，增強實驗中的創新思維能力，為學生將來從事與科研相關的工作打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]Ling Z，Wang ZY，Zhang MD，Yu C，Wang G，Dong YF，Liu SH，Wang YW，Qiu JS.Sustainable synthesis and assembly of biomass-derived B/N co-doped carbon nanosheets with ultrahigh aspect ratio for high-performance supercapacitors[J].Adv. Funct. Mater，2016，26，111-119.

[2]Lin TQ，Chen IW，Liu FX，Yang CY，Bi H，Xu FF，Huang FQ.Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage[J].Science，2015，350：1508-1513.

致謝：江蘇大學高級人才啟動基金（No.15JDG025）。