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摘 要： 本文设计了一个开放式化学实验：利用尿素和葡萄糖为原料，表面活性剂P123为造孔剂，通过两步热处理法制得多孔氮掺杂石墨烯，利用扫描电镜、X射线衍射、红外光谱和拉曼光谱等表征手段对产物进行组成和结构的表征，同时利用电化学表征技术对材料的储能性质进行研究。本实验可以使学生了解碳材料的常规合成方法、掌握化学产物的常用表征手段和电化学储能性质的研究方法等。本实验结合科技前沿领域的研究热点，并综合有机化学与分析化学等学科的基础知识，有利于增强学生的实验技能并培养学生的创新能力。
关键词： 开放式化学实验 热处理 氮掺杂石墨烯 储能性质
化学是一门以实验为基础的科学。实验教学在化学教学中占有重要地位，它不仅应让学生掌握基本的实验知识和技能，更重要的是培养学生从实验中发现问题，并有效分析和解决问题的能力。此外，通过启发性的教学培养学生创新型的思维模式是实验教学的重要目的之一。开放式化学实验不同于基础实验教学“照方抓药”的教学模式，它让学生选择感兴趣的研究课题，指导老师协助设计和制订可行方案，这样可以充分发挥学生的主观能动性。此外，在实验结束后，由学生自行对实验结果进行分析整理，得出结论，并鼓励其提出具有创新性的改进想法。通过这种方式，培养学生处理数据、积极思考解决问题的能力和创新性的思维模式。
氮掺杂石墨烯独特的二维结构及化学组成使其不仅具有优异的导电性质和较大的理论比表面积[1]，还具有优异的法拉第电容特性[2]，因此有望在超级电容器或电池的研究中取代传统的电极材料，制备具有更高比电容和比能量的储能设备。在实际应用中，由于氮掺杂石墨烯层间存在很强的π-π相互作用，导致其实际比表面积远小于理论比表面积，从而限制它电容性质的提高。本实验以尿素和葡萄糖为原料，表面活性剂P123为造孔剂，制备多孔氮掺杂石墨烯材料。产物的多孔结构可以有效地提高其双电层电容，氮掺杂又可以有效地提高其法拉第电容，因此用其作为超级电容器的电极材料，可以获得具有高比电容和高比能量的超级电容器。
本实验通过对尿素、葡萄糖和表面活性剂P123的混合物进行两步热处理得到产物。通过扫描电镜、X射线晶体衍射、傅里叶转换红外光谱和拉曼光谱等实验表征手段对产物的组成和结构进行表征。此外，我们通过将产物负载到泡沫镍电极载体上，并在三电极体系中，用电化学工作站对其进行循环伏安测试和充放电测试，表征其电化学储能性质。对多孔氮掺杂石墨烯材料的研究，有望为提高超级电容器的电化学储能性质提供新的解决方案。
1.实验部分
1.1实验试剂和仪器
分析纯的尿素、葡萄糖和表面活性剂P123均购自国药集团化学试剂有限公司，且使用前均未经过进一步纯化。产物表征分别在扫描电镜（日本电子公司，JSM-6480）、X-射线衍射仪（德国布鲁克公司，SMARTAPEXⅡCCD）、傅里叶转换红外分光光度仪（美国ThermoNicolet公司，NicoletNexus470）、拉曼光谱仪（法国JY公司，JYHR800）上进行。电化学性质使用上海辰华的CHI 760D电化学工作站进行测试。
1.2产物的结构表征
采用扫描电镜对产物进行微纳米形貌表征，采用X-射线衍射对產物进行晶体结构的表征，采用傅里叶红外光谱和拉曼光谱对产物进行化学组成的表征。红外光谱测试通过使用溴化钾压片，在400-4000 cm-1范围内扫描得到。拉曼光谱在1000-2500 cm-1范围内扫描得到。
1.3多孔氮掺杂石墨烯的制备
将10g尿素、0.5g葡萄糖和0.4g表面活性剂混合研磨半小时后，放入坩埚中，加盖后置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率升温至550°C，并保温三小时，反应结束后经自然降温得到g-C■N■层状材料。接着将得到的产物置于瓷舟中，在管式炉中于氮气气氛下，以5°C/min的升温速率升温至800°C并保温一小时，反应结束后经自然降温得到多孔氮掺杂石墨烯材料。
1.4产物的电化学性质研究
将8mg多孔氮掺杂石墨烯、1mg乙炔黑、0.1mL聚偏氟乙烯溶液（10mg/mL）混合并进行均匀研磨后，涂到泡沫镍载体上。将涂覆活性材料后的泡沫镍片在60°C烘箱中进行干燥，完全烘干后经压制得到电极片。将制得的电极片作为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在3mol/L的氢氧化钾溶液中进行循环伏安测试和电化学充放电测试，根据得到的数据结果进行计算后得到产物的比电容。比电容的计算公式如下：C=IΔt/mΔV，其中I为电流，ΔV为电压，Δt为放电时间，m是电极中活性物质（多孔氮掺杂石墨烯）的质量。
2.实验结果与讨论
通过X-射线衍射、红外光谱和拉曼光谱表征可以证明合成的产物为氮掺杂石墨烯材料。通过扫描电镜表征发现产物具有多孔的层状堆积结构。产物的电化学性质表征证明：和未加表面活性剂制得的氮掺杂石墨烯相比，多孔氮掺杂石墨烯具有更高的比电容和比能量，说明表面活性剂P123可有效提高产物的孔隙率和比表面积，从而提高其比电容和比能量等电化学储能性质。
学生通过本实验的文献调研、实验设计和具体操作，可以掌握有关超级电容器电极材料的相关知识，熟悉电子天平等设备的使用，并学会样品常规合成方法中的煅烧法；通过对产物进行各种结构和组成表征，可以掌握扫描电镜、X-射线衍射、红外光谱和拉曼光谱的基本测试原理和方法。最后通过计算并讨论研究如何进一步提高产物的比电容，还可以锻炼学生的数据处理和分析能力，培养学生的创新思维能力。
热处理法是制备功能材料的一种简单优异的合成方法，使用此方法可以合成结构多样且具有功能性的新型无机和有机材料。在本实验中，我们通过两部热处理法合成的氮掺杂石墨烯具有可控的多孔结构和较高的氮掺杂量，作为超级电容器的电极能够表现出优异的储能性质。设计该开放实验的目的在于让学生了解超级电容器电极材料的基本种类及碳电极材料的最新科研成果，掌握基本的制备方法和表征手段，提高分析处理数据的能力，增强实验中的创新思维能力，为学生将来从事与科研相关的工作打下良好的基础。
参考文献：
[1]Ling Z，Wang ZY，Zhang MD，Yu C，Wang G，Dong YF，Liu SH，Wang YW，Qiu JS.Sustainable synthesis and assembly of biomass-derived B/N co-doped carbon nanosheets with ultrahigh aspect ratio for high-performance supercapacitors[J].Adv. Funct. Mater，2016，26，111-119.
[2]Lin TQ，Chen IW，Liu FX，Yang CY，Bi H，Xu FF，Huang FQ.Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage[J].Science，2015，350：1508-1513.
致谢：江苏大学高级人才启动基金（No.15JDG025）。
关键词： 开放式化学实验 热处理 氮掺杂石墨烯 储能性质
化学是一门以实验为基础的科学。实验教学在化学教学中占有重要地位，它不仅应让学生掌握基本的实验知识和技能，更重要的是培养学生从实验中发现问题，并有效分析和解决问题的能力。此外，通过启发性的教学培养学生创新型的思维模式是实验教学的重要目的之一。开放式化学实验不同于基础实验教学“照方抓药”的教学模式，它让学生选择感兴趣的研究课题，指导老师协助设计和制订可行方案，这样可以充分发挥学生的主观能动性。此外，在实验结束后，由学生自行对实验结果进行分析整理，得出结论，并鼓励其提出具有创新性的改进想法。通过这种方式，培养学生处理数据、积极思考解决问题的能力和创新性的思维模式。
氮掺杂石墨烯独特的二维结构及化学组成使其不仅具有优异的导电性质和较大的理论比表面积[1]，还具有优异的法拉第电容特性[2]，因此有望在超级电容器或电池的研究中取代传统的电极材料，制备具有更高比电容和比能量的储能设备。在实际应用中，由于氮掺杂石墨烯层间存在很强的π-π相互作用，导致其实际比表面积远小于理论比表面积，从而限制它电容性质的提高。本实验以尿素和葡萄糖为原料，表面活性剂P123为造孔剂，制备多孔氮掺杂石墨烯材料。产物的多孔结构可以有效地提高其双电层电容，氮掺杂又可以有效地提高其法拉第电容，因此用其作为超级电容器的电极材料，可以获得具有高比电容和高比能量的超级电容器。
本实验通过对尿素、葡萄糖和表面活性剂P123的混合物进行两步热处理得到产物。通过扫描电镜、X射线晶体衍射、傅里叶转换红外光谱和拉曼光谱等实验表征手段对产物的组成和结构进行表征。此外，我们通过将产物负载到泡沫镍电极载体上，并在三电极体系中，用电化学工作站对其进行循环伏安测试和充放电测试，表征其电化学储能性质。对多孔氮掺杂石墨烯材料的研究，有望为提高超级电容器的电化学储能性质提供新的解决方案。
1.实验部分
1.1实验试剂和仪器
分析纯的尿素、葡萄糖和表面活性剂P123均购自国药集团化学试剂有限公司，且使用前均未经过进一步纯化。产物表征分别在扫描电镜（日本电子公司，JSM-6480）、X-射线衍射仪（德国布鲁克公司，SMARTAPEXⅡCCD）、傅里叶转换红外分光光度仪（美国ThermoNicolet公司，NicoletNexus470）、拉曼光谱仪（法国JY公司，JYHR800）上进行。电化学性质使用上海辰华的CHI 760D电化学工作站进行测试。
1.2产物的结构表征
采用扫描电镜对产物进行微纳米形貌表征，采用X-射线衍射对產物进行晶体结构的表征，采用傅里叶红外光谱和拉曼光谱对产物进行化学组成的表征。红外光谱测试通过使用溴化钾压片，在400-4000 cm-1范围内扫描得到。拉曼光谱在1000-2500 cm-1范围内扫描得到。
1.3多孔氮掺杂石墨烯的制备
将10g尿素、0.5g葡萄糖和0.4g表面活性剂混合研磨半小时后，放入坩埚中，加盖后置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率升温至550°C，并保温三小时，反应结束后经自然降温得到g-C■N■层状材料。接着将得到的产物置于瓷舟中，在管式炉中于氮气气氛下，以5°C/min的升温速率升温至800°C并保温一小时，反应结束后经自然降温得到多孔氮掺杂石墨烯材料。
1.4产物的电化学性质研究
将8mg多孔氮掺杂石墨烯、1mg乙炔黑、0.1mL聚偏氟乙烯溶液（10mg/mL）混合并进行均匀研磨后，涂到泡沫镍载体上。将涂覆活性材料后的泡沫镍片在60°C烘箱中进行干燥，完全烘干后经压制得到电极片。将制得的电极片作为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在3mol/L的氢氧化钾溶液中进行循环伏安测试和电化学充放电测试，根据得到的数据结果进行计算后得到产物的比电容。比电容的计算公式如下：C=IΔt/mΔV，其中I为电流，ΔV为电压，Δt为放电时间，m是电极中活性物质（多孔氮掺杂石墨烯）的质量。
2.实验结果与讨论
通过X-射线衍射、红外光谱和拉曼光谱表征可以证明合成的产物为氮掺杂石墨烯材料。通过扫描电镜表征发现产物具有多孔的层状堆积结构。产物的电化学性质表征证明：和未加表面活性剂制得的氮掺杂石墨烯相比，多孔氮掺杂石墨烯具有更高的比电容和比能量，说明表面活性剂P123可有效提高产物的孔隙率和比表面积，从而提高其比电容和比能量等电化学储能性质。
学生通过本实验的文献调研、实验设计和具体操作，可以掌握有关超级电容器电极材料的相关知识，熟悉电子天平等设备的使用，并学会样品常规合成方法中的煅烧法；通过对产物进行各种结构和组成表征，可以掌握扫描电镜、X-射线衍射、红外光谱和拉曼光谱的基本测试原理和方法。最后通过计算并讨论研究如何进一步提高产物的比电容，还可以锻炼学生的数据处理和分析能力，培养学生的创新思维能力。
热处理法是制备功能材料的一种简单优异的合成方法，使用此方法可以合成结构多样且具有功能性的新型无机和有机材料。在本实验中，我们通过两部热处理法合成的氮掺杂石墨烯具有可控的多孔结构和较高的氮掺杂量，作为超级电容器的电极能够表现出优异的储能性质。设计该开放实验的目的在于让学生了解超级电容器电极材料的基本种类及碳电极材料的最新科研成果，掌握基本的制备方法和表征手段，提高分析处理数据的能力，增强实验中的创新思维能力，为学生将来从事与科研相关的工作打下良好的基础。
参考文献：
[1]Ling Z，Wang ZY，Zhang MD，Yu C，Wang G，Dong YF，Liu SH，Wang YW，Qiu JS.Sustainable synthesis and assembly of biomass-derived B/N co-doped carbon nanosheets with ultrahigh aspect ratio for high-performance supercapacitors[J].Adv. Funct. Mater，2016，26，111-119.
[2]Lin TQ，Chen IW，Liu FX，Yang CY，Bi H，Xu FF，Huang FQ.Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage[J].Science，2015，350：1508-1513.
致谢：江苏大学高级人才启动基金（No.15JDG025）。