7.      光电催化材料

教学内容

光电催化材料

学时数

2

教学对象

材料科学与工程专业大三/大四学生

课程背景

光电催化材料课程是材料科学、化学领域的一门高级课程，旨在教授学生有关光电催化材料的原理、制备、性质和应用的知识。

教学目标

知识：

（1）基础化学知识：学生需要具备化学基础，了解化学反应、元素周期表、化学键结构等基本概念，以便理解光电催化反应的机制。

（2）电化学：学习有关电化学反应、电解质、电极材料等电化学基础知识，特别是与光电催化相关的内容。

（3）光化学：理解光与物质之间相互作用的基本原理，包括吸收、荧光、激光等光学概念。

（4）了解催化材料及其基础知识

能力：提高光电催化方向有关知识储备，提高学习能力，深入了解该领域发展动向。  

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：以国家双碳目标为背景，深入学习光电催化材料相关知识，了解节能减排方案措施，并以此为基础发散思维，结合本课程内容探讨治理环境，可持续发展，努力完成双碳目标。

教学

重点难点

光电催化涉及材料科学、化学、电化学等多个学科领域的知识。整合这些不同领域的知识可能会成为挑战，因为学生需要理解和应用多个学科的原理和概念。光电催化材料通常具有复杂的结构和性质，如晶体结构、电子结构、能带结构等。学生理解学习可能成为挑战。

教学资源

教材、参考书，课件ppt、文献资料等，参考文献：

[1]A semiconductor-electrocatalyst nano interface constructed for  successive photoelectrochemical water oxidation. Nat. Commun. 2023, 2574

[2] Achieving High-Efficient Photoelectrocatalytic Degradation of  4-Chlorophenol via Functional Reformation of Titanium-Oxo Clusters. J. Am.  Chem. Soc. 2023, 145, 11, 6112–6122

教

学

内

容

设

计

及

实

施

1. 1.  课程介绍 (5分钟)：

介绍课程目标和内容，强调光电催化材料在能源和环境领域的重要性。

1. 2.  介绍双碳背景 (5分钟)：

介绍国家“双碳”目标。

1. 3.  什么是光电催化？ (15分钟) ：

解释光电催化的概念，讨论光电催化与传统催化的不同之处，举例说明光电催化在水分解和CO₂还原中的应用。

1. 4.  光电催化材料的基本原理 (25分钟)：

解释光电催化反应的机制，探讨光电催化材料的电子结构和能带结构，强调光吸收和电子传递的重要性。

1. 5.  常见的光电催化材料 (25分钟)：

介绍一些常见的光电催化材料，如二氧化钛 (TiO₂)、氧化铋钡 (BiVO₄) 和氮化碳 (g-C₃N₄)，讨论它们的特性和应用。

1. 6.  光电催化未来的前景 (5分钟)：

讨论当前的研究趋势和未来可能的应用，强调光电催化在可再生能源和环境保护方面的潜在贡献。

1. 7.  问题和讨论 (5分钟)：

鼓励学生提问和讨论，回答学生提出的问题。

1. 8.  总结和课程结束 (5分钟)：

确保学生理解光电催化的基础知识和应用，鼓励学生深入学习和研究。

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

1、认识双碳

课程介绍和目标，了解温室气体和气候变化的关系，解释双碳的概念和重要性，深入了解CO₂和CH₄的排放来源

2、减排方法

减少二氧化碳（CO₂）排放的策略，如清洁能源、能效提升和碳捕获技术，减少甲烷（CH₄）排放的策略，包括减少甲烷泄漏、改善废弃物管理和降低畜牧业排放

3、   双碳未来

未来的双碳趋势和技术创新，探讨可持续发展和气候变化的长期展望，总结和课程回顾

作业布置

1、文献阅读：请查找并阅读有关光电催化材料的一篇科学文献或综述文章。这篇文章可以是关于新的光电催化材料、应用案例或最新研究进展的。在一张纸上总结你所读文章的主要发现和观点。

2、实验探索：如果你有机会在学校或实验室中进行实验，尝试重复之前在课堂上演示的光电催化实验。如果没有实验室设备，你可以寻找在线模拟实验或视频演示来了解实验过程。在一张纸上写下你的实验结果和体验，以及任何观察到的问题或挑战。

3、未来应用：思考光电催化材料的未来应用。选择一个领域（如能源生产、环境保护、医学等），并描述光电催化材料如何在该领域发挥作用。提供具体的例子和解释。