基于设计型实验方法探索材料化学教学模式*

曹振兴，袁 凤，秦余杨，梁凤芝

(常熟理工学院材料工程学院，江苏 常熟 215500)

基于设计型实验方法探索材料学教学新模式是一种创新的教学方式，旨在提高学生的实践能力和创新能力。本文将以创新训练项目《二硫化钼纳米片对汞污染水的稳定化研究》为例，介绍基于设计型实验方法探索材料化学教学模式，使得学生能够基于科学原理并采用科学方法对材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题进行研究，包括实验设计、数据分析与解释，并通过信息综合等得到最后合理有效的结论[1]。

1 问题分析

要求：能够运用数学、自然科学、工程科学的基本原理，结合文献研究，识别、分析和表达相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题的关键环节，并通过影响因素分析，获得有效结论[2]，具体如下：

(1)针对高分子材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题，能够通过自然科学、工程科学的基本原理，识别和判断其关键环节；

(2)针对高分子材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题，能够通过数学及工程科学的方法对复杂工程问题的关键环节进行正确表达；

(3)能认识到解决问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求不同的解决方案；

(4)能运用工程科学的基本原理，借助文献研究，分析材料科学与工程专业领域中相关复杂工程问题关键环节的影响因素，并通过影响因素分析，获得有效结论。

本课程指导老师提出的科学问题为：如何解决水中重金属汞严重超标的问题？同学们根据研究主题和关键词，制定了合适的检索策略，以便从大量的文献中筛选出相关度较高、质量较好的文献。随后对检索到的文献进行筛选，排除不相关或者质量较低的文献，保留相关度较高、质量较好的文献。对筛选出来的文献进行仔细阅读和分析，了解已有研究的情况和进展，以及研究的不足之处。最终选择了二硫化钼纳米片作为吸附材料，文献分析二硫化钼吸附汞的优势主要体现在以下几个方面：

①高吸附容量：二硫化钼具有高比表面积，可以提供大量的吸附位点，从而有效地吸附废水中的汞离子。其吸附容量远高于传统吸附剂，这使得二硫化钼在处理含汞废水时具有更高的效率。

②选择性吸附：二硫化钼对汞离子具有良好的选择性，可以高效吸附汞离子而不影响其他离子的吸附。这种选择性吸附特性有助于在复杂的废水环境中实现汞的有效去除。

③易于再生：二硫化钼具有良好的可再生性，可以通过简单的处理方法实现吸附剂的再生和重复利用。这不仅可以降低处理成本，还有助于减少废弃物的产生。

④环境友好：二硫化钼作为一种无机材料，具有良好的化学稳定性和环境友好性。在使用过程中不会产生有毒有害物质，对环境和人体健康无害。

⑤多种去除机制：二硫化钼不仅可以通过吸附作用去除汞离子，还可以通过光催化、电催化等方式对汞进行降解，进一步提高其治理效果。这种多种去除机制的协同作用使得二硫化钼在处理含汞废水时具有更高的灵活性和适应性。

2 设计/开发解决方案

要求：能够针对高分子材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题，提出设计出解决方案，解决方案中能够体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素[3]。

(1)掌握高分子材料或化学领域中相关产品开发的基本方法和技术，了解影响产品开发技术方案的各种因素；

(2)具备高分子材料或化学领域中相关产品设计/开发的技能，能够针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的技术路线或工艺方法；

(3)能够针对高分子材料或化学领域中相关产品，综合设计其工艺流程、技术路线，在设计中体现创新意识；

本课程同学设计了采用二硫化钼纳米片对汞污染水进行吸附处理，研究过程包括不同掺比及反应时间。同时将高吸汞能力的二维纳米片用于汞污染水的处理，通过SEM及XPS等分析测试手段来确定二硫化钼纳米片吸附汞离子的机理。

3 项目研究

在掌握专业知识、常用检测仪器与设备使用和实验技能的基础上，能针对高分子材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中的复杂工程问题开发实验设计、组织实施实验工作、收集实验数据，并对数据进行综合分析与解释，最终得到有效结论。体现了学生在新材料领域开展实验研究应具备的能力[4]。

(1)能够基于材料科学原理，通过文献研究或相关方法，调研和分析高分子材料或化学领域中相关产品技术研发、工艺设计及产品生产过程中复杂工程问题的解决方案；

(2)能够根据高分子材料或化学领域中相关复杂工程问题的技术特征，选择恰当的研究路线，并设计出具体的实验方案；

(3)能够根据实验方案构建实验系统，包括实验原料选择，装置选择与安装，工艺参数设定与监控等，并能安全地开展实验，正确地采集数据；

(4)能够对实验结果和数据进行分析、处理和解释，撰写报告，并通过信息综合得到合理、有效的结论。

本课程的具体研究内容如下：

①起始汞浓度和吸附时间对吸附的影响

二硫化钼有类似石墨烯的片层结构，中间是由一层钼原子组成，两边由硫原子组成，这样的片层结构使得二硫化钼中的硫原子充分暴露，使得与重金属汞离子有很多的吸附位点，因此二硫化钼是目前已知的汞吸附容量最高的材料[5]。在前期的实验验证中，本实验通过二硫化钼处理汞污染水来验证二硫化钼的吸附汞的效果。分别考虑了起始汞浓度和吸附时间对二硫化钼吸附汞的效果，并计算二硫化钼对汞的吸附容量。

为探讨不同起始汞浓度对二硫化钼吸附行为的影响，本课程设计了以下实验，具体实验步骤如下：设置吸附温度为25 ℃、pH为6。分别向5个烧杯中加入理论浓度为25、50、100、200、250 mg/L的汞溶液15 mL，分别加入预先配制好的浓度为100 mg/L的二硫化钼分散液15 mL，将配好的分散液在25 ℃超声吸附60 min后进行抽滤，用ICP测试吸附后汞污染水的汞浓度。

从图1可以看出，当起始汞浓度低于60 mg/mL时，二硫化钼对汞的吸附容量急剧上升，汞吸附容量从430 mg/mL上升至602 mg/mL，但当起始汞浓度继续上升时，二硫化钼对汞的吸附容量增加缓慢，这主要归因于二硫化钼对汞的吸附达到饱和，二硫化钼上对汞的吸附位点减少。从图中可知，二硫化钼对汞的最大吸附容量为641 mg/mL。据报道，活性炭去除汞的最大容量大致为50 mg/g到95 mg/g。二硫化钼纳米片具有较大的比表面积，使得其比常见的吸附材料具有更高的汞吸附容量。

图1 起始汞浓度对二硫化钼吸附Hg的影响

②二硫化钼纳米片吸附性能微观表征

通过SEM-EDS分析二硫化钼吸附重金属汞后的微观形貌和化学组成。从图2可知，SDBS协助水热法制备的二硫化钼是由很多纳米小球堆积而呈现一种纳米花状球形结构，这与Bai等制备的二硫化钼有相同的形貌，这种形貌使得二硫化钼具有较大的比表面积，从而有充分的硫原子暴露，使得二硫化钼实际最大汞吸附容量达到641 mg/mL。同时本实验对吸附过汞的二硫化钼进行EDS面扫以分析Hg、S、Mo三种元素的分布情况，二硫化钼上Hg元素的分布情况和密度与S和Mo相一致，这表明二硫化钼有效吸附了重金属汞[6]。

图2 吸附汞的二硫化钼扫描电镜和能谱图

图3 吸附前和吸附后二硫化钼的XPS全谱(a)，Hg4f、S2p、Mo3d和O1s的XPS精细谱(b～d)

4 结 论

通过设计型实验方法的实施，本课程成功探索了材料化学教学模式在解决实际问题中的应用。研究结果表明，二硫化钼纳米片作为一种高效的汞吸附材料，在汞污染水处理领域具有广阔的应用前景。学生在项目实施过程中，不仅加深了对材料化学理论知识的理解，还提高了实验设计、数据分析和解释等实践能力。此外，本课程的成功实施也为今后类似研究提供了有益的参考和借鉴。通过基于设计型实验方法的材料化学教学模式的探索与实践，有望培养更多具备创新能力和解决实际问题能力的高素质人才。