化学化工专业本科生科研创新训练初探

刘 锐， 金龙一， 孟龙月,b

(延边大学 a.理学院; b.工学院, 吉林 延吉 133002)

0 引 言

培养本科生的创新与科研能力是高等教育的重要职能之一，也是我国可持续发展战略、科教兴国战略、人才强国战略及建设创新型强国的必然要求[1]。在大数据的新时代新形势下发挥高等院校科研创新能力是目前“十三五”规划高校教育改革必须解决的关键问题之一，尤其地方少数民族综合类大学由于其自身存在的多种客观原因使得其科研创新能力不强，科研成果数量多但水平不高。因此需要开展科研创新训练并通过观察和论证找出一条适合少数民族地区科研创新型人才培养的捷径，同时要全面建立工程类专业的科研教学实验平台,壮大科研创新团队，最终使科研创新型人才适应社会经济文化的发展，为少数民族地方经济做出贡献。化学化工作为一门专门培养富有创新精神的高素质研究应用型人才的学科，需要加强学生对科研创新方面的训练和反应机制的理解，提升学生的综合素质[2]。化学化工实验以新材料为对象进行设计、制备、结构分析、性能测试和加工应用，其综合性较强。学生结合所学专业知识，根据自己的兴趣确定课题方向，通过查阅整理相关资料，与老师讨论并在老师指导和帮助下完成科研训练项目，达到理解本学科的知识体系并初步具备基础实验操作能力的目的[3]。

碳纤维是一种新型的高性能材料，应用范围相当广泛，以碳纤维的制备作为本科生的研究型实验项目，通过老师的指导并查阅相关资料[4-18]，最终确定目标产物的制备方法。

1 实验目的

了解碳纤维的研究进展，制备方法及其吸附性能；掌握索氏提取技术、抽滤等基本的实验操作技能；学会使用索氏提取器、马弗炉、管式炉、比表面积仪、扫描电子显微镜等仪器。通过具体的实验操作过程和后续的性能研究，掌握使用化学气相沉积法对碳纤维表面进行改性的方法。

2 实验方案

将碳纳米纤维生长在碳纤维表面的方法较多。通过查阅大量文献，对已成熟的制备方法进行对比和分析，确定实验方案：① 对碳纤维进行预氧化；② 对碳纤维进行表面处理；③ 制备催化剂并涂覆；④ 将样品放入管式炉中沉积生长。

3 实验仪器和试剂

仪器：索氏提取器，抽滤瓶，78-1型磁力加热搅拌器，电热套，SX-G00123型马弗炉，SK-G08143型1 400 ℃真空/气氛管，BP210S型电子天平，SA3100型比表面积仪，SL200C型接触角测定仪，S4300型扫描电子显微镜。

试剂：高纯乙炔，硝酸镍，盐酸、磷酸、硫酸表面活性剂，硅源，乙醇，丙酮，机油，碳纤维(日本东丽T300 3K系列)。

4 实验步骤

4.1 碳纤维预氧化

将样品放进马弗炉中煅烧，以5 ℃/min的速率升温至450 ℃后恒温30 min后再以5 ℃/min的速率降至室温。

4.2 碳纤维表面处理

用丙酮溶液浸泡15 min，再通过索氏提取器，将碳纤维表面的环氧树脂浆除净并使其干燥。将干燥后的碳纤维浸入盐酸磷酸硫酸混合酸中1.5 h后，再用蒸馏水洗至pH=7后晾干。

4.3 催化剂的制备及负载

按照表面活性剂、硝酸镍、硅源、蒸馏水、乙醇、浓HCl(1 mol/L) 按照预先计算好的比例称量相应质量的试剂，放入试剂瓶中密封，再放在磁力加热搅拌器上搅拌12 h。将酸化后的碳纤维浸入Ni催化剂中12 h后，抽滤晾干。

4.4 煅 烧

将样品放入马弗炉中，以5 ℃/min匀速升温至450 ℃后保持恒温30 min,降温至常温将其取出，分为3组样品，编号为：NF-02、NF-03、NF-04。

4.5 化学气相沉积生长

将编号为NF-02、NF-03、NF-04的样品分3次放入刚玉舟中，分别进行以下相同步骤：将刚玉舟置入管式炉中，封好管式炉后，在150 cm3/min的N2保护气氛下以5 ℃/min的速率升温至600 ℃，达到600 ℃时通入20 cm3/min的H2气1 h。当H2气通入30 min时,同时通入碳源C2H2气体30 min,改变C2H2的气体流量：NF-02对应15 cm3/min；NF-03对应30 cm/min；NF-04对应50 cm3/min。NF-01表示原材料碳纤维。从而得到不同流量下制备出的复合材料。

5 结果与讨论

5.1 实验方案的设计

目前在碳纤维上生长碳纳米纤维的方法有很多，为了让本科生更透彻的了解专业理论知识，采用了目前最常用且有效的方法化学气相沉积法。该方法操作简单，学生容易合成目标产物，可以减轻学生刚接触科学研究时心里畏惧感，同时可以很大程度提高学生主动学习的热情，激发学生继续研究碳纤维复合材料吸附性能的兴趣，有效地促进学生的理论知识与实践相结合，提高学生的综合素质。

5.2 微观形貌及结构

学生制备完4组样品之后，为了更好地了解样品表面改性状况，采用扫描电子显微镜测定样品SEM图，测试结果如图1所示。

对上述4组样品进行分析得出：在碳纤维表面通过化学气相沉积法生长碳纳米纤维的过程中，碳纳米纤维的生长状况受高温下流通的乙炔流量大小的影响，对比NF-02和NF-03可知碳纳米纤维的长度和直径逐渐变得均匀，细小纳米纤维变长后弯曲度下降，且孔隙结构变得更加发达，密集纤维层厚度增加且变得均匀。对比NF-03和NF-04可知纳米纤维层厚度增加的速度较之前有所降低且出现厚度不均的情况，而且碳纳米纤维直径变得不均匀。从3组样品总体对比来看，600 ℃下以30 cm3/min的乙炔流量的情况下在碳纤维表面以化学气相沉积法生长出来的碳纳米纤维层最为均匀且良好。

(a，b：NF-01； c，d：NF-02；e，f：NF-03； g，h：NF-04)

以NF-01和NF-03作为代表，吸附质为高纯氮气，在77 K下测定不同相对压力下的氮气吸附量，其结果如图2所示。由IUPAC所定义的曲线类型来看，NF-03样品呈现出典型的第IV型吸附等温线，相对压力小于0.05时，吸附量迅速上升；相对压力为0.05～0.3时，吸附等温线出现平台，证明NF-03样品中存在微孔；相对压力在0.3～1.0时，发生毛细凝结的单层吸附现象，滞后回环属于H3型(孔的大小不均，认为是片状粒子堆积形成的狭缝孔，只有当压力接近饱和蒸汽压时才开始发生毛细管凝聚，由于板间不平行，所以曲线为缓慢下降)，表明碳纳米纤维层所构造出的是近似狭长裂口型孔隙。

图2 NF-01和NF-03的N2吸附-脱附等温线

表1所示是对NF-01和NF-03的孔隙结构测试数据列表，从表中数据可见，NF-01总孔容和比表面积小，说明其表面光滑几乎无孔隙。NF-03在原始碳纤维的基础上比表面积有大幅度提升，是NF-01比表面积的38倍。NF-03的总孔容是NF-01的44倍，孔隙结构倍增。

表1 NF-01和NF-03的孔隙结构数据

1：比表面积； 2：微孔孔容； 3：介孔孔容； 4：总孔容； 5：介孔孔容占总孔容的比例； 6：平均孔径

图3所示为孔径分布曲线图， 由图可见NF-03孔隙结构分布曲线总体随孔径上升呈下降趋势，根据曲线的波动情况可知，该样品的微孔与介孔要远远多于大孔。对比表1中数据，大部分分布点是集中在小于50 nm的区间，介孔结构占所有孔隙结构的80%以上。对比NF-01的分布曲线，可以非常直观地看出碳纤维表面长出碳纳米纤维后增加了孔隙结构。

图3 NF-01和NF-03的孔径分布

5.3 接触角测试

图4为通过接触角测试仪来表征样品疏水性能的节选图片。通过一系列的测量和计算得出的4组样品的接触角如下：NF-01为139.2°，NF-02为145.6°，NF-03为151.1°，NF-04为150.6°。根据对超疏水材料的定义，可将NF-03和NF-04划入超疏水材料范围而NF-02可列入疏水材料范围。仅从疏水性能来看，碳纳米纤维层均一的NF-03疏水性能最佳，而相对而言外观形貌不均一的NF-02最差，由此可以说明碳纤维表面所覆碳纳米纤维生长形貌会影响碳纳米纤维/碳纤维复合材料的疏水性能，碳纳米纤维层的立体组织结构厚度越大、生长情况越均一疏水性能越好，反之则越差。这是由于碳纳米纤维表面基团是疏水性的，再加上碳纳米纤维在碳纤维表面交织起三维孔隙结构增加了外层粗糙度，这两者相结合使得样品具有了良好的疏水性能。

(a) NF-01

(b) NF-02

(c) NF-03

(d) NF-04

图4 4组样品接触角测试图

5.4 吸附水面油污性能测试

在老师的指导下，学生经过测试与计算，得出4组样品的吸油性能数据如表2所示，由此可知：NF-01的吸附性能一般，分析原因是由于碳纤维表面光滑无孔隙对油滴进行吸附造成的。NF-02较NF-01提升较大是后者的8倍左右，两者区别是NF-02较NF-01多了碳纳米纤维层使碳纤维表面粗糙程度和比表面积大幅升高。NF-03较NF-02而言具有更厚的纤维层，且孔隙结构变得更丰富。NF-04较NF-03的提升没有NF-02到NF-03的大，造成该结果的原因为其厚度增加幅度没有后者高，而且碳纳米纤维的直径变化也一定程度上影响了该材料的吸附性能。随着乙炔流量的升高，碳纤维层厚度增加，孔隙结构也随之变多，细密的孔隙结构提高了对油的滞留效果，而且碳纳米纤维表面疏水性通过相似相溶原则与油中所含的大分子链段发生物理吸附，极大地提高了材料的吸附性能。

表2 吸附水面油污性能测试

6 结 语

在老师的指导下，学生成功地制备了碳纤维复合材料，并对该碳纤维复合材料的吸附性能进行了研究，学生从查阅文献到设计实验方案再到亲自动手做实验并分析实验数据，让学生体会了从理论到实践的过程，不仅提高了学生的专业知识水平，更增强了学生独立分析问题和解决问题的能力，进一步提高了学生的科研创新实践能力。