袁 宁，冯利利，龚宝林

（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 100083）

实验教学是本科专业教学的重要组成部分，对培养和提高学生的创新实践能力具有不可替代的作用[1]。在新时代高等教育发展背景下，如何开展实验教学改革是一项非常重要的研究课题。传统的实验教学模式多为一组学生在实验教师的指导下，完成内容陈旧且单一的演示性或验证性实验项目，这种做法固然可以锻炼学生的基本实验操作技能，但是却不利于提升其专业素养，也无助于拓展其学术视野。将教师的科研课题引入实验教学是一种被证明可行的方式，已成为目前实验课程改革的趋势[2]。这种“科教融合”的思路和实践既丰富了本科实验教学内容，又由于所引入的实验项目贴近学科发展的前沿与热点，可以有效提高学生参与课程的热情[3]。同时，将科研融入实验教学中可以调动教师参与本科教学的积极性，从而缓解目前高校普遍盛行的“重科研、轻教学”现象[4]。

基于教师的科研课题，在化学和材料学等相关专业的本科实验教学中增设综合性与设计性实验项目已在很多学校推广，清华大学、北京大学、复旦大学、西安交通大学等均实施了将科研成果引入实验教学的方式，取得了良好的效果[5]。

多孔材料，尤其是纳米多孔材料，在吸附、催化、能源、环境等领域发挥着重要作用。该领域的科学研究方兴未艾，新的科研成果不断涌现。多孔材料的制备与表征涉及合成化学、材料化学、物理化学、分析化学等学科专业基础课程内容，因而可以作为理想的实验教学项目。本文将对近年来有关多孔材料的实验教学研究进行分类评述，包括无机多孔材料、有机多孔材料、金属有机框架（MOFs）材料等，并针对目前存在的问题提出一些建议。

1 无机多孔材料

1.1 微孔分子筛

微孔分子筛是一类具有规则孔道结构的晶态硅铝酸盐，由TO4（T=Si、Al等）四面体的初级结构单元组成。作为最常见的无机多孔材料，目前其拓扑结构类型已达228种。微孔分子筛在工业中应用非常广泛，在化学专业的一些课程中也有涉及。然而，由于没有实际进行过分子筛的合成实验，学生对这种材料的认识始终停留在想象中。

牟琴等[6]以最基本的A型分子筛为例，对此类材料的制备和表征进行了实验设计。首先在实验室面授分子筛的基本知识，并通过球棍模型搭建A型分子筛的削角八面体结构，使学生切实理解分子筛中原子的空间构型；然后进行合成实验，通过调节合成条件（碱度、晶化温度、晶化时间等），引导学生以光学显微镜观察材料的结晶程度，初步判断是否得到A型分子筛；最后采用X射线衍射（XRD）技术对制备的材料进行表征分析，如果样品符合LTA结构特征峰则表示成功制备获得A型分子筛。这样的实验设计使学生既掌握了基本的合成技术，又熟悉了科研的基本思路，做到了科研与教学的有效结合。

王瑜等[7]基于两项科研项目，设计了“A型沸石分子筛的制备及其吸附量的测定”教学实验。将分子筛的基本结构和合成知识放在预习环节，在实验课程中主要考察温度对晶型的影响，并通过饱和静态水吸附量测定来衡量材料的结晶度。由于该实验依托教师的科研项目，学生可以根据自己的想法灵活改变合成参数，并就实验结果与教师进行有益的探讨。

具有MFI结构的TS-1钛硅分子筛受到研究者的广泛关注，并应用在多种催化反应中。颜岩等[8]引入纳米级TS-1分子筛的合成实验，并采用XRD、透射电镜（TEM）、N2吸附-脱附仪等对其进行表征，最后测试所制备的 TS-1纳米材料对二苯并噻吩氧化脱硫反应的催化能力。通过“合成—表征—应用”的完整实验流程，不仅使学生学习了水热合成技术，而且使其掌握了多种仪器分析与催化性能评价方法。

胡涛等[9]设计了 Y型分子筛合成实验，并通过XRD与红外光谱（IR）对制备的材料进行表征。李良清等[10]将分子筛膜这一研究热点引入本科实验教学，采用二次生长法制备NaA沸石分子筛膜。这些研究性实验不仅提高了学生参与实验课程的热情，而且拓宽了学生对学术前沿的知识面。

1.2 介孔二氧化硅

介孔二氧化硅材料易于进行表面修饰和形貌调控，目前已在诸多领域显示出实际应用价值。为将科技前沿融入本科教学，笔者所在课题组[11]首次将介孔二氧化硅材料的制备引入本科实验教学。通过简易的水热合成法制备获得孔道高度有序、粒径均一且比表面积高的规则球状MCM-41纳米颗粒（见图1），并采用IR、XRD、扫描电镜（SEM）与N2吸附-脱附仪等对制备的材料进行表征。该实验设计具有操作简单、原料价格低廉等优点，适合在应用化学等专业的高年级本科生实验课程中推广。通过该实验的开展，不仅可以培养学生的合成技能，而且可以加深学生对表面物理化学、胶体化学、仪器分析等课程内容的理解。

图1 纳米介孔二氧化硅微球的SEM图与XRD图[11]

最近，孙霜青等[12]介绍了具有中空形貌与pH响应特性的介孔二氧化硅材料综合性化学实验。该实验项目包括材料的制备、修饰和表征，还将纳米容器、pH响应等研究热点融合入实验。该实验综合性强、覆盖面广，具有开放性、研究性及综合性等特点。

1.3 多孔金属氧化物

研究者对非硅铝酸盐多孔金属氧化物给予了极大关注，但这类多孔材料在实验教学中推介不多。纳米介孔TiO2具有比表面积高、孔道结构规整、光吸收性能优异等优点，但是其制备过程往往需要3～5天时间，不利于在教学实验中开展。王向东等[13]结合课题科研成果，采用一种快速溶胶—凝胶法制备纳米介孔TiO2材料，将合成时间缩短至2 h，并且所使用的复合模板剂成本低廉，从而使该实验可以在本科教学实验中推广（见图2）。

图2 复合模板法制备纳米介孔TiO2示意图[13]

邵谦等[14]基于自身科研成果，采用硬模板法和水热法，设计了合成空心CuO微球实验，并研究了所制备材料对有机染料的光催化降解性能。该实验操作过程简单，涉及大量的仪器表征方法，有利于培养学生的实验技能和分析能力。但该实验的水热过程耗时较长，仅适合于开放性、分散式的教学实验。

1.4 多孔碳材料

多孔碳是多孔材料家族的重要组成部分，既包括传统的活性炭，又包括碳纳米管与石墨烯等新型碳材料。活性炭吸附实验是很多物理化学实验教材中的经典实验项目。近年来，一些新型碳材料的相关实验被陆续推介。

刘亚菲等[15]采用同步物理—化学活化法制备多孔碳材料，并探究了活化温度和时间对材料孔隙度的影响。实验中用到低温N2吸附-脱附实验测定材料的孔道参数，有助于学生学习理解物理化学中的表面化学相关内容。除了自主设计实验方案外，学生还可以根据自身兴趣研究原料配比的影响。边绍伟等[16]介绍了介孔碳材料 CMK-3的合成、表征与液相吸附性能综合性化学实验。实验以介孔二氧化硅 SBA-15为模板制备介孔碳材料CMK-3，并探究其对亚甲基蓝的吸附性能。该实验在设计上将传统的物理化学与碳材料研究热点相结合，并涉及很多大型仪器表征技术，无论对激发学生兴趣，还是对扩宽其科研视野均有很大帮助。

作为一种呈二维平面结构的新型碳材料，石墨烯在诸多领域都引起了人们的研究兴趣。孙海翔等[17]将这一研究热点引入本科实验教学，设计了以水热法制备多孔石墨烯的实验，并通过共混的方式制备石墨烯基高分子复合膜，还研究了其对丙烯/丙烷的吸附分离性能。实验中涉及的丙烯/丙烷是重要的石化原料，与该作者所在学校的研究特色高度契合。

2 有机多孔材料

不同于无机多孔材料，有机多孔材料的设计性更强，更易于进行加工和改性，但目前文献中有机多孔材料教学实验的报道不多，曹丽琴[18]设计的壳聚糖基多孔复合膜的开放式研究性高分子实验是其中之一。基于高聚物改性理论，通过相转化法制备具有不同孔径分布的高分子多孔膜，并采用 IR、XRD、SEM 等多种表征方法对制备的多孔膜进行表征和研究。该实验不仅可以使学生巩固高分子化学中的相关理论知识，而且可以促进学生创新思维的养成，具有一定的推广价值。

3 金属有机框架材料

除了纯无机或纯有机多孔材料，一类晶态有机-无机杂化多孔材料——金属有机框架（MOFs）材料引起了研究者的关注，目前已经成为研究热点之一，并正在逐渐走向实际应用。MOFs材料由金属离子与有机配体组装而成，具有规则的孔道和极高的比表面积和孔容。在本科化学实验教学中开展MOFs材料的合成和表征实验，不仅可以训练学生的实验操作技能，而且可以引导其尽早接触科技前沿，得到合成技能、表征分析与科研思维等全方位训练。

新型MOFs化合物的制备和结构解析是一项非常重要的基础研究工作，对丰富MOFs种类和揭示材料的构效关系具有重要意义。余凡等[19]将新型Zn-MOF的合成与表征设计为本科综合性实验，既有合成化学（有机配体合成、Zn-MOF溶剂热合成与结晶）训练，又有仪器分析（单晶 XRD、粉末 XRD、热重分析）学习。这是首次在本科实验教学中引入MOFs材料这一研究热点。随后，余凡等[20]将另一例MOFs引入本科实验教学，除了合成与结构表征外，还探究了MOFs材料对碘和染料的吸附性能。

在合成化学上，制备纳米尺寸的MOFs材料具有很高的挑战性。这种材料兼具纳米材料与多孔材料结构特征，从而可能表现出优异的性能。乔正平等[21]设计了纳米MOFs材料的制备、表征与性能研究性实验，将待发表的科研成果引入本科专业实验课程，保持了科学研究与实验教学同步。该实验采用金属有机凝胶法，制备出粒径约5 nm的HKUST-1（见图3），并测试了其对不同染料分子的液相吸附效果。该实验重复性高、操作性强，可以训练学生的多种合成与表征技巧，对学生科研潜质的开发具有促进作用。

图3 纳米HKUST-1的TEM图[21]

通过将其他类型的纳米材料与MOFs材料进行物理或化学作用结合，往往可获得性能改善的复合材料。贾琼等[22]巧妙地设计了磁性 MOFs复合材料 Fe3O4@NH2-MIL-53(Al)，并用于对铅离子的吸附分离。在该实验中，学生不仅可以同时获得无机纳米粒子 Fe3O4与多孔MOFs两种材料的制备技术，还加深了对物理化学中吸附理论的认识。通过该实验的训练，将有效促进本科生在未来的研究生阶段快速进入科研角色。

4 总结与建议

近年来，将研究前沿或科研成果转化为本科教学实验已经成为实验教学改革的重要方向。本文依据化学成分对多孔材料的实验教学进行了分类评述，以期为各高校的实验教学提供借鉴。通过分析可知，将多孔材料的制备与表征实验引入本科教学实验具有十分积极的效果，不仅可以激发学生参与实验课程的热情，而且对提高学生的综合素质具有重要作用。

在推广文中所述实验时，需要注意几个问题。首先，各高校都具有各自的历史沉淀与传统特色，因此应选择或设计基于自身情况、契合学科发展方向的实验，切忌不加选择地照搬文中推介的案例。其次，不同于实际的科研活动，本科实验教学有着较为严格的时间限制，即通常需要在规定的学时内完成实验，这就需要根据课时情况对实验内容进行灵活调整。最后，各高校还应充分考虑实验室面积、原料成本、机时费用等因素，根据各自的实验与测试条件制定合理的实验方案。