5.光催化材料
| 教学内容 | 光催化材料 |
| 学时数 | 4 |
| 教学对象 | 材料科学与工程专业大三/大四学生 |
| 课程背景 | 光催化材料涵盖光化学和材料科学领域，此课程探讨了光催化材料的原理和应用。课程包括光催化的基本原理、不同类型的光催化材料、光催化反应的应用领域，以及如何设计和合成这些材料。学生还将了解光催化反应的动力学研究和材料表征技术，以及光催化领域的最新研究进展。光催化材料课程具有跨学科特性，涵盖化学、物理、材料科学和工程等多个领域的知识，对环境污染治理、水处理、能源转换和有机合成等领域具有重要意义，有助于可持续发展和绿色技术的推动。 |
| 教学目标 | 知识： 理解光催化的基本原理：使学生掌握光催化反应的基本原理，包括光吸收、电子激发、表面反应和能量转移等关键概念。 掌握不同类型的光催化材料：使学生了解和识别不同类型的光催化材料，如半导体、金属氧化物、有机半导体等，以及它们的特性和适用领域。 探索光催化反应的应用：培养学生将光催化原理应用于环境污染治理、水处理、能源转换和有机合成等实际应用领域的能力。 学会设计和合成光催化材料：教导学生如何设计和合成具有特定性质和性能的光催化材料，以满足不同应用的需求。 熟练使用光催化反应的动力学和表征方法：使学生能够分析和评估光催化反应的动力学特性，以及使用各种表征技术来了解光催化材料的性质和性能。 跟踪光催化领域的最新研究进展：培养学生具备持续学习和掌握最新研究成果的能力，以不断更新他们的知识和技能。 能力：鼓励学生将光催化材料的知识应用于解决环境和能源挑战，推动可持续发展和绿色技术的发展。 价值：课程学习中的科学思维、创新思维等方法要求。 课程思政目标：强调可持续发展的概念，使学生认识到科学和技术的发展应与社会、经济和生态的可持续性相协调。 |
| 教学 重点难点 | 光催化材料涉及多个学科领域，包括化学、物理、材料科学和工程等。因此，学生需要跨足多个领域的知识，这可能会增加课程的复杂性。光催化反应的机理和原理涉及一些抽象的概念，如电子激发、表面反应动力学等。这些概念可能对学生来说较为抽象和难以理解。 |
| 教学资源 | 教材、参考书，课件ppt、文献资料等，参考文献：[1]. Photoelectrocatalytic inactivation mechanism of E. coli DH5a(TET) and synergistic degradation of corresponding antibiotics in water. Water Research, 2022, 215, 118240[2]. Synergistic Photocatalytic Decomposition of a Volatile Organic Compound Mixture: High Efficiency, Reaction Mechanism, and Long-Term Stability. ACS Catal. 2020, 10, 7230−7239. [3]. Surface boronizing can weaken excitonic effects of BiOBr nanosheets for efficient O2 activation and selective NO oxidation under visible light irradiation. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 20, 14478–14486 [4]. Chemoenzymatic Photoreforming: A Sustainable Approach for Solar Fuel Generation from Plastic Feedstocks. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 37, 20355–20364 |
| 教 学 内 容 设 计 及 实 施 | （1）光催化材料发展简介（用时约10分钟） 光催化材料是一种能够在光照下促进化学反应的材料，已经在环境治理、水处理、能源转换和有机合成等领域发展迅速。最早的光催化研究可以追溯到20世纪初，但效率有限。后来，半导体材料，如二氧化钛和氧化锌，成为主要研究对象，取得了显著进展。通过不断改进材料结构和性能，光催化活性得到提高。近年来，新型光催化材料如有机半导体、金属有机框架和共价有机框架等逐渐崭露头角，扩展了光催化的应用领域。这些材料在可持续能源方面也有巨大潜力，例如太阳能光催化水分解制氢。一些光催化技术已商业化，应用于空气净化和污水处理。总之，光催化材料已经从早期研究演化到多功能材料和实际应用，在环境保护和可持续能源领域发挥着重要作用，未来仍有广阔前景。 此部分内容以讲解为主，尤其重点讲解优缺点，注意全面讲解。此部分内容教材及参考书比较详细，以书本为主，穿插提问、讨论等互动方式。 （2）光催化的工作原理（用时约30分钟） 光吸收：光催化反应的起始点是光吸收，其中催化剂吸收来自光源的能量，通常在紫外光或可见光范围内。这些能量将激发催化剂中的电子到高能级能级，形成激发态。 电子激发：被激发的电子变得更具活性，具有足够的能量来参与化学反应。这一步骤使催化剂具备了在光照下引发反应的能力。 与底物反应：激发态的催化剂与底物分子发生相互作用，通常是吸附到催化剂表面。这可以导致底物分子的解离、氧化、还原或其他反应，具体取决于所用的光催化系统和底物类型。 反应产物释放：完成化学反应后，产物分子从催化剂表面解吸，并最终释放到溶液中。 需要注意的是，不同类型的光催化材料和反应系统可能会涉及不同的反应机制和催化剂。光催化的应用范围非常广泛，包括环境污染治理、水处理、氢气生产、有机合成等，因此具体的反应细节会因应用而有所不同。 此部分为新内容，需结合教材及参考书进行详细讲解，教师讲授为主，根据学生理解情况，讲清楚为目标。 （3）光催化材料分类（用时约10分钟） 催化材料可以根据其化学性质、组成和应用领域的不同进行分类。以下是一些常见的光催化材料分类：半导体光催化材料，有机光催化材，有机框架，共价有机框架，复合光催化材料，量子点，稀土元素光催化材料。 （4）光催化材料的制备和改性方法（用时约30分钟） 光催化材料的制备和改性方法涉及多种技术。制备方法包括溶液法、沉积法、溶剂热法、水热法和固相法，可调控光催化材料的形貌和组成。改性方法包括掺杂，纳米结构控制，表面修饰，复合材料制备，负载和化学修饰。这些方法允许研究人员优化光催化材料的结构和性能，以满足不同应用领域的需求。例如，通过掺杂可改变光催化材料的光吸收特性，通过纳米结构控制可提高光吸收效率，而表面修饰和复合材料制备可增强其反应活性。这些改性方法有助于光催化材料在环境保护、能源转换和有机合成等领域的应用。 （5）光催化材料在环境中的应用及发展展望（用时约40分钟） 光催化材料在环境中的应用前景巨大。这些材料能够利用光能促进化学反应，已经成功用于多个领域。在水处理和净化可以有效分解有机污染物、重金属和微生物，改善饮用水和废水的质量。光催化也用于改善空气质量，去除室内和室外空气中的有害气体。太阳能转化是另一个关键领域，通过光催化水分解制氢气，以提供清洁能源。在土壤修复方面，光催化可用于加速有机物降解和重金属还原，有助于修复受污染的土壤。此外，它还在有机合成中崭露头角，用于高附加值化合物和药物的制备。未来，我们可以期待更高效的光催化材料，多功能材料，纳米技术的应用以及更广泛的实际应用，为环境保护和可持续发展提供更多解决方案。光催化技术将继续为解决环境挑战和提供清洁能源做出贡献。 （6）环境材料研究进展文献研读（用时约60分钟） [1]. Photoelectrocatalytic inactivation mechanism of E. coli DH5a(TET) and synergistic degradation of corresponding antibiotics in water. Water Research, 2022, 215, 118240[2]. Synergistic Photocatalytic Decomposition of a Volatile Organic Compound Mixture: High Efficiency, Reaction Mechanism, and Long-Term Stability. ACS Catal. 2020, 10, 7230−7239.[3]. Surface boronizing can weaken excitonic effects of BiOBr nanosheets for efficient O2 activation and selective NO oxidation under visible light irradiation. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 20, 14478–14486[4]. Chemoenzymatic Photoreforming: A Sustainable Approach for Solar Fuel Generation from Plastic Feedstocks. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 37, 20355–20364 |
| 教学方法 | 讲授为主，精选参考文献作为授课资料，少量互动，根据学生理解情况掌握进度及时间分配。 |
| 课程思政元素、案例、话题 | 探讨光催化技术在净化水源、改善空气质量、减少能源消耗等方面的应用案例，利用视频方式呈现。 引入一系列与思政相关的话题进行讨论，如科学家的社会责任、科技创新的伦理问题、绿色技术的推广等。学生可以分享自己的观点和看法，与同学一起探讨这些重要议题。这有助于培养学生的思辨能力和社会责任感。 |
| 作业布置 | 1、复习课程内容。 2、思考光催化材料的发展前景 3、预习、查阅学习关于光催化的相关知识 4、指定学生做有关光催化材料相关文献汇报 |
