“盗火者”的“光合作用”

    期次:第954期    作者:校报记者团 褚 渊 仵 梦 高 晶


光电联合催化原理示意图
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 3D-ZnONi光电阴极制备装置图
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电沉积过程与现象
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电沉积前后电极对比图
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光电催化CO2还原过程
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LSV测试装置图

原创·首发·独家
  2019年10月11-13日,首届全国大学生化学实验创新设计竞赛全国总决赛在南京大学举行。在这个第一次举办的实验设计竞赛中,我校化学化工学院2017级的吴宁然、田恩麟、赵创源三位同学组成的“盗火者”团队凭借他们的努力与实力,在一众高校中脱颖而出,荣获全国特等奖。

  实验室中的光合作用

  团队“盗火者”的名字出自于指导老师景欢旺教授,每一位成员思考团队的名字时都考虑良久,但始终没有令人满意的名称,最后景欢旺老师拍板说:“就叫‘盗火者’吧,盗火者普罗米修斯从太阳中盗取火种造福人类,这样的话我们做一个光合作用的东西也是造福人类。”
  关于光合作用,通过高中生物中的学习就已经知道,自然界中的光合作用是指绿色植物利用叶片作为“合成空间”,在可见光的照射下,利用二氧化碳和水为原料在叶绿体这个“合成空间”中合成出碳水化合物,同时释放出氧气。这个团队却把光合作用从自然界搬到了实验室中,那么整个过程,究竟是如何实现的呢?
  在本次实验作品“纳米半导体复合材料的制备和光电催化二氧化碳还原为有机物”中,用较为成熟的三电极沉积法来制备纳米氧化锌复合材料。他们所制成的纳米棒状氧化锌,形貌良好,可作为阴极,用于下一步光电催化二氧化碳还原为有机物。“盗火者”团队在实验室中完成的“光合作用”,则是将电解池作为“合成空间”,用具有多孔结构的钒酸铋作为光电阳极,生有纳米材料氧化锌的镍网作为光电阴极,在模拟太阳光和外加电场的协同作用下,在电解池这一“合成车间”中反应,在阳极表面发生氧化反应生成氧气,同时阴极表面发生二氧化碳还原反应生成有机化合物,从而很好的模拟了自然界中的“光合作用”,将两个二氧化碳耦联起来,使成为碳二产物乙酸,乙醇等。
  而团队最终提交的实验作品“纳米半导体复合材料的制备和光电催化二氧化碳还原为有机物”中,他们所遇到的难题主要在于阴极材料纳米氧化锌的制备,“盗火者”团队选择了较为成熟的三电极沉积法,但相关的实验条件需要自己筛选,温度、PH值、电压、沉积时间等都对之后形成的材料的形貌有很大的影响。这个过程没有任何捷道可走,唯一能使他们成功的就是反复的大量的实验,一次做不成就两次,两次做不成就三次,重复创造成功,他们尝试过不同的温度,不同的PH值,也失败过很多次,比如在做纳米氧化锌材料的制备时要照电镜,镀一片大概需要一个多小时,而有时一天镀了七八片都没有成功,看到它镀上去又掉下来,或者在电镀的过程中溶液就变质了,失败随时有可能发生。但他们从未放弃,失败了就重新再来。在无数次失望后,他们终于筛选出了最为合适的条件,制备出形貌良好的3D棒状纳米氧化锌,得到了理想的阴极材料。
  “盗火者”团队将纳米材料这一前沿技术与具有现实意义的还原二氧化碳技术结合起来,令人耳目一新。同时,实验操作简单,重复性强,也使其能较好地应用到本科实验教学中去,这无疑是他们取得成功的优势之一。
  成本只需要5块钱的新创化学实验

  本次化学竞赛共有三种不同类别,我校学生参加的是第一类,属于新创实验设计,主要目的是为了符合本科生实验教学。
  在提及两轮答辩的“波折”时,队长吴宁然回忆道,在第一轮答辩时,评委老师询问实验的成本是多少,这可让他们慌了神,因为在设计实验之初并没有将成本考虑进去。第一轮答辩结束后,团队成员和老师进行了详细估算,估算下来只需要五块钱的成本,对于实验和仪器也并没有特殊的要求,在普通实验室内就可以完成。根据要求,综合性的本科实验时长不能超过24小时,周期过长的话是不适合本科生教学的。吴宁然介绍道,这个实验,理论上需要14-16个学时,如果时间紧迫的话,也是可以在一天内完成,但最好的情况就是分成两天完成,一次6-7个小时。成本较低、时间合理、操作简单、重复性高,这些是该团队设计的这个本科生实验的亮点所在。
  再者,团队将实验的成果转化放到一个更高的定位点,将教学和科研相结合,以便使更多的学生接触到科学前沿。该实验可以将二氧化碳还原为有机物,课题组还原出来的主要有甲醇、乙醇、乙酸等产物。
  田恩麟对实验结果很满意,他说,制备出来有机物的理论意义要远大于实际意义,以前做的本科生实验会锻炼我们的动手操作能力,但是与科学前沿接触较少,即使到了大四的综合实验,也与科学前沿有些脱轨。而这个实验操作简单且可以跟学术前沿接触,通过还原,让一个碳的产物变成两个碳的产物,在水溶液这样一个无机环境内,让两个碳耦联起来。他进一步解释到,这一部分不在于能生产多少东西,而在于有没有碳二产物的产生,有这些产物,才能有其他后续的想法。
  可以说这个实验的设计和推广能够起到双重作用,既能锻炼学生的操作能力,有益于实验原理的掌握,又可以接触半导体材料制备和纳米材料催化等最前沿的东西,这正是本科实验教学中所缺少的。
  相信自己,相信彼此

  团队的组建缘由是校内的一次化学基础实验技能大赛,共有9名同学获得一等奖,其中有意愿参与比赛的同学可以留下自己的信息,经过层层筛选,三人就这样组成了一支队伍。当谈及团队初期如何磨合达到最大合力时,他们看着对方笑了笑,由于之前他们相互熟悉,所以并不用花费过多时间去磨合,组队后,他们快速投入到了课题实验和前期的各项准备工作中。此次竞赛的课题来自于景欢旺教授的课题组,其中的电化学知识他们并未涉及,前期的很多理论知识需要自学,团队成员只能通过查阅大量的相关文献,以期能更好的了解这个实验原理和过程,而呈现更专业更完善的答辩论文和PPT。田恩麟同学说,为了呈现更好的效果,大家始终坚持有什么事一起解决一起弄。在教学楼与实验室之间斡旋,暑假在实验室中奋战,一张PPT反复做20多次,无数遍的模拟答辩……这一切,都只为了呈现出最好的展示效果。反复试验,反复打磨,力争做到更好。对团队来说,合作是胜利的必要条件之一。
  专业知识缺乏的困难克服后,挫折和意外接踵而至。在一个新型实验竞赛中,面对不熟悉的赛制,他们没有经验,在一轮答辩时,与很多其他高校一样,方向有所偏离,将其做成了一种科研汇报,实际上这并不是汇报,而是一个用于本科生教学的实验设计比赛。但庆幸的是,第一轮结束后,团队没有纠结于挫败和失误,而是同老师一起紧急调整方向,改变答辩的侧重点。在第二轮答辩时,他们将侧重点放在了如何应用于本科实验以及实验的创新点上,在PPT不能修改的情况下,题目进行了一些改变,留下了一些对于本科生教学的建议。最终将前路的不足﹑失误和挫败炼化成了成功和胜利。
  面对着来自全国七大赛区的其余86所高校,更有北大﹑复旦﹑武大﹑川大﹑南开等强敌环绕,田恩麟、吴宁然、赵创源三位同学始终信心满满地迎接挑战。田恩麟同学在回想起那段日子时感触地说道要相信自己可以,想做什么放开手脚去做。
  当被问及获奖感受时,三个大男孩只是戏谑地说南京大学校园挺大,奖杯挺重。但我们知道,这份成功是充满汗水和辛苦的。一切成功都不是没有理由的,“盗火者”团队凭借的正是不懈的努力和属于他们的自信和团队精神。