基于TiO2光子晶体光催化反应的绿色化学实验设计
摘要：化学实验是开展化学教育的重要途径之一，对化学实验进行设计与改进是帮助学生认识并感悟化学学科内涵，培养并塑造创新意识、社会责任感的重要环节。本文结合目前化学实验设计的原则及常见措施，引出了绿色催化剂这一新的绿色化学品；随后从光催化原理入手，重点介绍了TiO2光子晶体的制备方法和研究应用；最后基于绿色化学实验的特点，讨论该绿色催化剂的众多合成方法中最适合作为绿色化学学生实验的路线。
关键词：光子晶体；实验设计；二氧化钛；绿色化学
1.前言
化学是一门以实验为基础的自然科学，可以说，化学的兴起、发展与完善都离不开实验探究。在化学学科教学中，化学实验更是起到了至关重要的作用，不仅可以帮助学生了解学科发展动态，熟悉最新科学成果，还可以增强学生的创造性思维，培养社会责任感，具有重大的学术和教育意义。而好的实验设计就是有效发挥上述功能的关键。化学实验设计是指实验者在实施化学实验前，根据一定的化学实验目的和要求，运用化学知识与技能，按照一定的实验方法对实验的原理、仪器、装置、步骤和方法等进行合理安排与规划。在设计过程中，要密切联系学科内容，同时遵循科学性、成功性和安全性等原则[1]。在明确实验基本原理，熟悉实验方法和手段，充分阅读国内外相关文献的基础上，运用探索法、尝试法、类推法[1]等基本方法进行实验设计。
目前，化学实验设计存在“绿色化缺失”[2]等问题，导致化学发展与环境保护之间的矛盾愈演愈烈。为了尽可能的保护生态环境，避免资源的过度流失，许多专家学者从绿色化角度尝试进行实验设计的路径研究。例如，何节玉、公维洁等老师在《乙酸乙酯合成实验的绿色化改进》[3]一文中提出用固体酸多相催化剂代替浓硫酸，可明显提高酯化率，同时有效减少后处理步骤；王继业老师发表的《己二酸的绿色合成探究》[4]，针对己二酸制备过程中使用的催化剂做了优化，贯彻了绿色化学实验的思想；还有哈尔滨师范大学化学系的侯丽杰等老师在《固体酸H2SO4-SiO2催化合成双酚A》[5]中成功制备出了负载型固体酸H2SO4-SiO2催化剂，用此催化材料实现了高效率催化合成双酚A，有效改善了双酚A传统制备工艺中催化剂消耗量大的问题。
当前对化学实验进行绿色化的设计和改进，一种重要的措施是引入绿色催化剂的方式来优化合成路线，以期减少或消除实验过程中的化学污染[6]。涉及的新型绿色催化剂包括固体酸催化剂、分子筛催化剂、杂多酸催化剂和光催化剂等。这些催化剂在表现出高活性、高选择性的同时，又避免了对环境造成污染，是真正意义上的环境友好型催化剂。其中，光催化剂因其可以高效利用太阳能，催化降解有机污染物的特性而成为人们的研究热点。光催化剂多采用TiO2、ZnO、CdS、SnO2、WO3等n型半导体材料[7]，而在众多的光催化剂中，由于TiO2光催化剂具有氧化性较强、稳定性好、价格低、无二次污染等特点[8]，它的发展已经成为众多化学工作者的热门研究课题。
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