碳中和背景下無機及分析化學課程教學改革與實踐

宋俊玲　桑欣欣　郁紅艷　張金方

摘? 要：無機及分析化學是理工科類本科生進入大學后的第一門專業基礎課，在理論教學中通過啟發-案例式教學模式，將基礎理論知識點與前沿研究進展相融合，尤其在碳中和背景下，將學識、能力與家國情懷三位一體育人理念貫穿在教學全過程，將理論與實際問題聯系，促進學生對基礎理論學習的理解與運用，在提高學生的創新能力的同時提升學生的使命感與責任感，實現當代大學生在知識、能力、責任與擔當等方面的融合提升，培養出應對新一輪科技革命和產業變革的創新型新工科人才。

關鍵詞：碳達峰-碳中和；無機及分析化學；教學探索與實踐；前沿進展；基礎理論

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）14-0129-05

Abstract： Inorganic and Analytical Chemistry is the first professional basic course for science and engineering undergraduates in the university. During the course teaching， we will explore theoretical teaching combined with practical problems to promote undergraduates' understanding and application of basic theory by heuristic-inquiry teaching mode. Especially， under the background of Carbon-Neutral， we will focus on the combination of the basic theoretical knowledge and the frontier research progress， and fuse the knowledge， innovation ability and patriotism throughout the teaching process. Therefore， we can promote undergraduates' professional knowledge， innovation ability， responsibility and accountability and cultivate the innovative talents who can meet the challenge of new round of technological and industrial revolution.

Keywords： carbon peak and carbon neutrality; Inorganic and Analytical Chemistry; exploration and practice of teaching; advanced progress; basic theoretical knowledge

隨著人類工業文明的快速發展，化石資源的大規模開發利用，導致日趨嚴峻的能源缺乏與生態環境惡化，對全世界人類的生存和發展帶來嚴峻挑戰。在全世界要求CO2排放達到峰值及碳中和的目標下，能源格局正經歷著從依賴傳統化石燃料到追求清潔高效能源的深刻轉變。2021年，中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》指出，實現碳達峰、碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局做出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。尤其是，我國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。中國承諾實現從碳達峰到碳中和的時間，遠遠短于發達國家所用時間，需要中方付出艱苦努力[1]。教育部在2021年7月發布了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》，明確了在高校系統布局建設一批碳中和領域科技創新平臺，匯聚一批高水平創新團隊，不斷調整優化碳中和相關專業、學科建設，推動人才培養質量持續提升，實現碳中和領域基礎理論研究和關鍵共性技術新突破[2]。因此在“雙碳”的這種時代背景下，作為大學老師理應主動開展教學探索、推動人才培養，為開發新型清潔能源、建設“美麗中國”儲備大量的相關專業素質人才。需要在教學過程中使當代大學生認識到當今時代能源短缺與環境問題的嚴重性與緊迫性，激發當代大學生的能源與環境生態危機意識，增強他們為生態文明建設而盡心盡力的責任感和使命感，啟發學生提升對相關理論認知高度的同時，強化本科生實踐能力，加強他們獨立思考與創新能力。

一? 雙碳背景下無機及分析化學理論教學的重要性

無機及分析化學是化工、食品、生工、紡織、醫學、藥學和環境等相關專業理工科學生邁入大學校門以來的所接觸的第一門專業基礎課， 課程系統闡述無機化學與分析化學方面的基本原理，包括在化學反應的基本原理、酸堿平衡、沉淀與溶解平衡、配位平衡、原子、分子與晶體結構等方面的內容，旨在培養學生科學思維與創新能力，以及分析與解決問題的能力，為后期相關專業課程的學習奠定良好的基礎。在培養亟需人才方面發揮著重要的“承上啟下”的作用。該課程的重要性不言自明。大學生更是國家培養的高級專業人才，是社會新技術、新思想的前沿群體、是民族和國家的希望，在大學階段培養復合型創新人才，才能適應現階段能源發展及經濟增長的需要。因此在這個階段如何激發學生學習熱情與主動性，尤其是，為不同專業的學生奠定堅實的化學基礎知識，建立化學與其他交叉學科之間的聯系，促使化學與其他學科交叉、滲透和融合，進而推進科學發展，培養新型創新性思維的綜合型人才，才能向國家和社會輸出能應對新一輪科技革命和產業變革的新工科人才[2]。因此在無機及分析化學授課過程中，可以將涉及到CO2捕集、封存或者新型清潔能源方面的知識點結合到課程講解中，以期學生更好地掌握所學的基礎知識，同時普及目前固碳、減碳與增效降耗等方面的前沿技術;提升大學生的責任與擔當，引導學生主動地思考與學習；將所學化學反應原理、酸堿理論及氧化還原等方面的知識點與前沿科學問題相結合，為碳中和貢獻力量；初步培養學生的科學創新思維，靈活運用相應基礎知識，分析并探討在相關實際中的運用，以期取得更好的教學傳授效果。

二? 雙碳背景下無機及分析化學理論教學方式

CO2是地球上最主要的溫室氣體，也是分布最廣、儲量最豐富的碳資源。據估算，2019年，全球CO2排放量為401億t，其中86%源自化石燃料利用，14%由土地利用變化產生。這些排放量最終被陸地碳匯吸收31%，被海洋碳匯吸收23%，剩余的46%滯留于大氣中。碳中和就是要想辦法把原本將會滯留在大氣中的CO2減下來或吸收掉。這就意味著人類在盡可能減少CO2排放的同時，可以開發固碳方法或發展化學催化、光/電催化、生物催化等轉化技術，將其作為碳源轉化為能源、材料和化工產品[3]，因此給本科生講授無機及分析化學課時，奠定他們堅實的化學基本理論知識，會促進學科交叉，有利于加快取得創新性成果的步伐（圖1）。

（一）? 啟發式探索

在講授布朗斯特酸堿質子理論時，按照得質子為堿，失質子為酸；因此可以根據pKa或者pKb的大小，對比物質的酸堿性強弱，而且可以獲知反應物的酸性大于產物的酸性；而反應物的堿性大于產物的堿性。而CO2溶于水形成H2CO3后，其pKa1為6.35，pKa2為10.35，而H2SiO3的pKa1為9.77， pKa2為11.80[4]，由此可以判斷，在CO2過量的情況下，會發生以下反應

CaSiO3+H2O+CO2（g）→Ca2++HSiO3-+HCO3-；

CaCO3+H2O+CO2（g）→Ca2++2HCO3-。

因此啟發學生，利用這個反應，如何進行固碳。同時向學生介紹，2020年英國謝菲爾德大學David J. Beerling教授及其團隊正是利用硅酸鹽巖和碳酸鹽巖在化學風化過程中吸收大氣CO2這個原理，通過將硅酸鹽巖粉撒入農田中進行固碳，相關研究成果已發表在Nature上[5]。進一步啟發學生學以致用。此外，還可以在講授多元弱酸平衡時，引入CO2溶于水形成H2CO3的知識，引導學生進一步加深對大氣/土壤中的CO2以溶解無機碳的形式在碳循環過程中的作用。例如硅酸鹽與土壤中的碳酸（CO2溶解在水中）發生化學反應，生成碳酸氫根（HCO3-），從而將空氣中的CO2溶于水體中，然后經由地表徑流輸送到海洋而長期貯存，但是結合二元弱酸的分布系數與溶液pH關系（圖2），這些水體或者土壤中的HCO3-（6.35≤pH≤10.33時大量存在）受pH影響，可以將HCO3-轉為CO2返回大氣，完成碳循環過程。還可以結合NaOH容易潮解且吸收空氣中的CO2，加深NaOH為什么不能作為基準物的理解，更可以拓展到工業上常用的CO2吸收劑，除了常見的NaOH、氨水等無機物，還包括醇胺類有機物，如甲基二乙醇胺、單乙醇胺、二乙醇胺等。

在無機及分析化學課程的氧化還原與電化學基礎學習過程中，可以引導學生理論知識學習點與實際問題結合，例如課堂中可以提出以下問題：隨著不可再生資源日趨減少，全球都在尋求可再生清潔能源，如何利用這章節所學的基礎知識，發現新型清潔可再生能源？隨后導入前沿研究課題：氫作為一種清潔能源，其最高熱值約為1.42×105 kJ/kg和零排放的特點，引起了全世界科研界和工業界的廣泛關注。目前制備氫氣的方式有電解水制氫、太陽光催化產氫和生物發酵制氫等，而這些反應中都有一個共同的特點，即涉及電子轉移反應。也就是氧化還原與電化學基礎的重點內容。通過水電解生產可再生氫能是一種減少碳排放的有效方法，電解水制氫被認為是一種更可行的綠色能源工業化方式，是為解決CO2溫室氣體過度排放的理想能源?？梢栽陔姌O電勢學習時，引導同學們計算電解水需要的理論上的能量。根據酸性條件下的兩個電極反應

由此可以計算出理論電解水需要1.229 V，電解1 mol水其反應的標準吉布斯自由能（？駐G）為+237 kJ/mol，是一個吸熱過程。進而結合現代前沿課題，啟發同學們關注電解水技術中需要引入催化劑，并加速反應來提高能源的轉化效率，為今后在該研究方向奠定理論基礎。同時，使同學們對理論知識學習時，能結合最新的實際運用，激發他們的學習熱情與主動性。

（二）? 教案式探索

無機及分析化學課程涉及到理論知識點較多，而且課時有限（江南大學非化學類本科生為64學時），為增加學習興趣，需要教師課前設計案例，才能使學生利用課堂上所學到的理論知識去解決一些實際問題，提升學生對相關問題的積極思考與討論，促進學生的創新能力。因此在碳中和背景下的教學，可以引入電解水制氫的案例，但是大規模的電解水將引起嚴峻的淡水資源分配問題[6]。對于通過電解淡水大規模生產氫燃料，海水電解比淡水電解更受歡迎，因為自然界中有豐富的海水。然而，由于海水的成分復雜，特別是高濃度的氯陰離子（約0.5 M），會導致電極的腐蝕或在電解過程中，海水中大量的鈣和鎂離子會沉淀在電極表面，此外，海水中的硫酸鹽或碳酸鹽會破壞電催化劑的活性，從而使整個系統的效率下降。從這個案例入手，讓同學們用所學到的知識點嘗試設計解決方案。

方案1：針對海水中成分復雜，可以對海水提前處理，結合溶解-沉淀平衡一章，參照表1所示不同離子的氫氧化物沉淀所需要的pH范圍，可以調節海水的pH，對一些干擾離子進行預處理過濾掉。

方案2：針對海水中Cl離子的影響，結合氧化還原反應中的電極電勢，可知析氯反應的平衡電位是一種更容易的二電子轉移反應，且并不依賴于pH變化；然而電解水的一個半反應——析氧反應，是一個質子耦合電子轉移的過程，受溶液pH的影響，可知在堿性條件下，析氯反應和析氧反應之間的電壓差可以從pH=0時的130 V，增加到480 mV，因此可以設計不同pH的電解液，提高電解海水的選擇性。因此，與酸性或中性電解質相比，堿性條件下，電解海水由于其實際可操作性，引起了科學家們的更大興趣。在這樣的授課過程中，提高了同學們分析問題和解決問題的能力，激發了他們更大的學習主動性。

另外，結合中國航天技術的發展，可以向學生講授，太空環境非常極端，不僅含氧量低，而且重力微弱、太空輻射強，但CO2氣體含量豐富，因此，在太空原位合成人類所需的生物基材料成為物資補給的新途徑。近期有研究結果表明，在太空中，利用光合作用或光電催化技術可以將CO2轉換為糖、蛋白等生物質資源。尤其可以介紹最近中國研究人員采用一種類似“搭積木”的方式，設計、構建了非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到淀粉分子的全合成[7]。而且人工合成淀粉的效率約為傳統農業生產淀粉的8.5倍。這條新路線使淀粉生產方式從傳統的農業種植向工業制造轉變成為可能，為從CO2合成復雜分子開辟了新的技術路線[6]。在這種啟發性教學案例中，不僅增加同學們的民族自豪感與自信心，更加激發學生的學習主動性與能動性，從而有效增強學生的內驅力。

三? 碳中和背景下無機及分析化學理論教學內容

在無機及分析化學課堂教學的過程中，可深挖每一章節的具體教學內容所蘊含的碳中和背景下新能源相關的元素，通過設立與每個章節相關的問題，引導學生查閱資料獲取相關解決方案， 逐步培養學生將理論知識運用于解決實際問題的能力，從而提高他們的創新能力[8-11]。具體教學內容見表2，在具體的教學內容中，恰當地融入愛國主義教育；在教學過程中潛移默化地增強學生的家國情懷，并引導學生將國家的復興和自己的學習聯系起來，潛移默化中培養當代大學生的奮斗、創新精神，并厚植家國情懷，激發學生的民族自信及奮斗動力，使大學生成為堪當民族復興重任的時代新人。

四? 碳中和背景下無機及分析化學實踐探索

在專業基礎理論知識獲取的前提下，在強烈責任感的驅使下，提高學生自主學習能動性，并深入提高學生的綜合實踐能力，通過以“賽”促“學”等方式，鼓勵學生參加全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽等相關的創新競賽，從而理論教學與國家戰略和產業發展新需求結合，創新產教融合協同育人創新創業創造機制，提高學生的動手實踐能力與綜合素質，從而實現在知識、責任、能力等三方面的融合提升。

方案設計：本項目將結合無機及分析化學理論教學內容，結合自身研究內容以及最新研究動態，制作成“新能源材料與環境治理方面”的設計專題探討教學。根據學生的興趣，采用小組調研模式，參與到新能源材料的制備與應用方面的科學研究中，從而調動學生的自主性與能動性。并且以小組為單位，搜集最新的研究方向，將基礎理論知識與“四個面向”結合，從而將向科學技術廣度和深度進軍的信念更加“立體”地根植于學生腦海中，真正做到學以致用，從而激發學生自主學習能力，而且在對實驗數據的處理與分析中，綜合提高學生發現問題、分析問題與解決問題的能力，強化創新創業能力訓練，增強高校學生的創新能力和在創新基礎上的創業能力，并根據學生的創新訓練項目（或創新性實驗）的成果，提出一項具有市場前景的創新性產品或者服務，培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才，從而使基礎課程學習的課堂成為培養具有創新理念和工匠精神的人才培養基地，使青年學子認識到時代賦予的責任，并樹立青年為國家富強、民族復興、人民幸福而奮斗的理想。

五? 結束語

無機及分析化學課程講授過程中結合最新科研前沿進展與時政問題，給基礎教學注入新鮮血液，提升同學們的使命感，增加教學內容的吸引力，促使他們的學習主動性，激發他們發揮聰明才智為探索開發清潔、高效的可循環利用的能源體系奉獻自己的力量。同時通過教學方式、教學內容、教學設計與科學實踐和創新競賽結合，增加學生對基礎專業課程學習的關注度，使化學理論知識學習變得生動有趣， 促使學生由被動學習向主動學習轉變、提高學生自主學習能力，啟發科學思維能力與創新思維；同時，強化學生的社會責任感，進而實現 “立德樹人”的核心目標。

參考文獻：

[1] 習近平出席領導人氣候峰會并發表重要講話[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-04/22/content_5601535.htm.

[2] 教育部關于印發《高等學校碳中和科技創新行動計劃》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-07/29/content_5628172.htm.

[3] KIM J E， CHOI S M， BALAMURUGAN J H， et al.Electrochemical C-N bond formation for sustainable amine synthesis [J].Trends in Chemistry， 2020，2（11）：1004-1019.

[4] 南京大學《無機及分析化學》編寫組.無機及分析化學[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[5] BEERLING D J， KANTZAS E P， LOMAS M R， et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands[J]. Nature， 2020，583（7815）：242-248.

[6] DEREKA B， YU Q， LEWIS N H C， et al. Crossover from hydrogen to chemical bonding[J]. Science， 2021（371）：160-164.

[7] CAI T， SUN H， QIAO J， et al， Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide[J].Science， 2021（373）：1523-1527.

[8] 劉曉莉，張穎，梁萍.以無機化學習題為例探討電極電勢的應用[J].化學教育（中英文），2021，42（14）：109-112.

[9] 陳素清，梁華定.“互聯網+”背景下“無機及分析化學”課程教學策略與實踐[J].化學教育（中英文），2020，41（24）：30-36.

[10] 劉志宏，胡滿成，高勝利.無機化學教學中“原子結構”內容怎樣突破重點和難點[J].化學教育（中英文），2021，42（12）：23-29.

[11] 羅群興，劉大偉，聶艷，等.能源化學工程專業工業催化課程教學思考與探索[J].化工高等教育，2021，38（3）：69-74.

基金項目：國家自然科學基金“極性過渡金屬硼磷酸鹽的調控構筑及其內建電場協同提高光電催化水氧化機制研究”（21975106）；江南大學本科教育教學改革研究重點項目“碳中和背景下的《無機及分析化學》課程改革與實踐”（JG2021047）

第一作者簡介：宋俊玲（1976-），女，漢族，山東臨沂人，博士，副教授。研究方向為無機光電功能材料。