一、实验室开放组织管理

中南大学化学化工学院化学实验教学中心拥有1个国家级化学实验教学示范中心，1个国家级矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心。中心开放实验教学的组织与管理良好的传承。有一支优秀的实验教学队伍，成熟的管理制度。现阶段实验室开放工作的组织机构和主要管理人员：

开放组织结构：化学化工学院实验室建设与管理委员会；化学实验教学中心。

实验室开放工作组负责人：刘有才。

主要职责：全面负责本科生开放实验教学与管理。

实验室开放工作组成员：宋相志、阳华、何震、张茂林、张寿春、朱敏。

主要职责：作为学院专家评审委员负责立项选题、中期检查和结题。

二、实验室开放保障机制

学院在历年开放实验教学基础上进一步完善了开放保障机制：

1、学院开放实验的管理制度

学院保障开放实验正常运行的主要机制有：

按照国家示范中心要求和学校相关文件鼓励教师和实验技术人员进行开放实验教学；

按照文件要求在保证正常教学次序的条件下，为开放实验教学提供必要的实验场地和实验设备；

根据实际开放工作统计给予实验教师和实验技术人员工作量补贴；

根据实验统计和考核情况给予进行开放实验学习的学生给予学分和开放实验证书；

学院配套提供大型仪器测试服务。

2、学院开放实验管理办法

为保证开放实验教学的有序进行，学院制订如下开放实验教学管理制度，所有开放实验教学按制度进行：

1）中南大学实验室开放专项基金管理办法（试行）；

2）化学化工学院实验室开放管理办法；

3）化学化工学院大型仪器设备开放管理办法；

4）化学化工学院实验室开放专项基金管理办法；

5）化学化工学院实验室安全管理规定；

6）中南大学化学化工学院剧毒试剂管理办法；

7）化学化工学院化学危险品管理办法；

8）化学化工学院易制毒化学品使用管理办法；

9）化学化工学院实践教学实验室开放管理制度；

10）化学化工学院开放式实践性教学实施细则；

11）化学化工学院关于创新实验申报要求及管理办法；

12）中南大学本科教学工作基本要求；

13）中南大学化学化工学院教学督导小组工作办法；

14）化学化工学院本科教学责任事故认定及处理执行细则。

三、实验室开放形式

学院拥有国家级化学实验教学示范中心，国家级矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心。有多年从事开放实验教学的经验。本年度全部开放实验实行定时开放和预约开放两种开放形式的实验教学。其中学生自主实验和课外实践技能训练实行定时开放。主要利用本科教学实验室的教学空余时间安排教师和实验技术人员辅导开放实验；教师科研课题和教师拟定的课外开放实验项目则主要实行预约开放。由教师与学生预约安排在教师科研用房或者实验教学用房进行实验(具体实施情况依据疫情发展进行调整)。

四、实验室开放内容

1、学生自主项目

学生自主学习的开放实验主要在虚拟仿真实验室进行。原则上对于大学2、3年级学生开放。目标在于加强学生实验的基本动手能力，实验学习兴趣的培养和操作训练的规范，为部分学生参加全国、省和校级化学实验、化工实验、化工设计、虚拟仿真和制药设计等竞赛提供学习和锻炼条件。2021年学生自主学习开放项目6项。内容如下：

矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心是教育部首批（2013年）批准建设的国家级虚拟仿真教学中心，并建设有省级化学化工虚拟仿真创新创业教育中心及中南大学首批校级创客空间。中心设备与资源面向全校、湖南及全国开放，已完成5届全校虚拟仿真竞赛，并组织统筹全省化学化工类虚拟仿真竞赛。目前，中心已获得国家虚拟仿真项目2项、省级3项，自主开发73项，软件著作权14件，具备3D-LED虚拟现实系统、高性能服务器、仿真终端、材料制备与3D打印机成套设备等软硬件设施与开发工具，满足创新创业教育、虚拟仿真教学及软件开发全部需求。

（1）虚拟仿真领域：每年为全校师生虚拟仿真技术培训、开展全校虚拟仿真设计竞赛，年组织与指导虚拟仿真设计团队数15个左右，组织统筹全省化学化工类虚拟仿真竞赛。

（2）3D打印领域：通过3D打印微观/宏观教学模型、简化版的实习工厂等装置，用于材料、化学类专业的科研实验室进行材料加工和力学/物理/工艺性能测试，同时3D打印的成品模型进一步用于辅助教学。

（3）虚拟仿真创新创业领域：每年10月，借助学校百团大战活动和院网、公众号等信息宣传平台，向全校征集学生，开展创新创业活动，开展技术人才培训，通过该全校性的创新创业能力培养与训练活动，提高学生的项目设计、研发能力和创新创业意识的训练与培养。

项目（1）-（3）为虚拟仿真开放实验教学项目。分别由刘耀驰、董子和、周思洁老师负责。

化工仿真是化工设计教学的重要内容，每年全国化工专业都会举办相应的设计大赛。项目的主要目的就是资助对化工三维设计感兴趣的同学进行相关学习和锻炼，为其参加设计大赛打下必要基础。

（4）化工原理实验竞赛培训

（5）制药工程创新设计训练

（6）湖南省化学实验比赛技能培训

项目（4）（5）和（6）分别由王帅、刘艳飞和张寿春老师负责。化工系杨鹰、蒋崇文等老师将配合王帅老师共同培训和组织今年学校、湖南省、华南区和全国的化工实验系列赛事，以及化工设计系列赛事；刘艳飞老师是我校参加全国制药工程设计大赛培训团队的主要成员，可以为学生提供良好的指导。张寿春老师是今年我院参加在南京大学主办的全国性化学实验比赛的总教练。今年我校学生将参加全国、湖南省和学校三级化学实验大赛。本项目将为感兴趣的学生提供学习和锻炼机会。

2、教师拟定项目

学生自拟实验项目主要在国家化学实验教学示范中心实验室进行。原则上面向正在学习四大基础化学实验的低年级本科学生开放，学生根据相关感兴趣内容自拟实验项目。本年度主要安排9项：

（1）化学成份分析检测技术、流程与规范实践

本项目由刘耀驰老师负责、安排在基本操作实验分室和中南大学化学成分分析中心进行。中南大学化学成分分析中心（以下简称“中心”）自2006年12月起一直是CMA计量认证实验室，目前具备资质的分析检测项目近300项，主要涉及环境类如水和废水、土壤、固废，矿物类各成分，金属材料类如铝铜锌镍铅及其合金、钢铁、建筑材料等分析检测等，专用仪器设备仪器设备总值1500余万元，包括ICP、IC、XRF光谱仪、石墨炉及火焰原子吸收光谱仪、原子荧光仪、UV-Vis光度计、碳硫分析仪、红外吸收光谱仪、气象色谱仪、样品制样机、以及细菌培养等水质分析的常用仪器等。分析检测是大部分自然科学研究必备技能，也是生产控制的重要手段，通过分析检测技术培训与实践，学生不仅可以掌握分析技能与规范，还可以熟练地运用大量检测仪器设备，养成严谨的工作习惯、提升动手能力，对于从事自然科学研究及未来工作都极为重要。中心面向全校致力或热爱分析检测事业的本科生开放，开展分析检测技术、流程与规范培训与技术服务，包括化学分析方法技术培训、仪器设备使用培训、仪器设备共享、科研样品分析等。

（2）氮磷硅阻燃剂制备及其在PA6/PA66中的应用

本项目由刘耀驰老师负责实施，项目采用氮系化合物（三聚氰胺、氰尿酸等）、磷系化合物（DOPO、植酸、聚磷酸铵等），含硅材料(硅酸四乙酯、硅烷偶联剂 KH550)及金属氧化物(Ni(OH)₂、MgO和MnO₂等)作为制备阻燃剂的原材料，得到新型无卤环保的协同阻燃剂。通过 FTIR、XRD和SEM等表征确定其结构，通过双螺杆挤出机将制备的协同型阻燃剂与PA6/PA66共混得到阻燃复合材料，通过 TGA、 DSC、UL-94、LOI等技术手段研究阻燃尼龙复合材料的阻燃性能，并对其阻燃机理进行探讨。PA6/PA66是优良的工程塑料，具有耐磨、耐腐蚀、良好的力学性能等优点，广泛应用于机械零件、服饰、电子元件等领域。但PA燃烧时释放大量有毒气体(CO、NO和HCN等)，伴随火焰熔融滴的产生，加速火焰传播。此外，环境中的紫外光、水分会对PA6/PA66的力学性能有较大影响，减少PA6/PA66的使用寿命。纯尼龙已不适用于对消防安全、使用寿命要求高的领域，因此对其进行改性来提高性能是很有必要的。项目内容包含：1）阻燃剂的制备：合成氮-磷、氮-硅、磷-金属氧化物和氮-金属氧化物等协同阻燃剂。例如氮-金属氧化物系阻燃剂，通过三聚氰胺（Mel）高温煅烧得到二维纳米片石墨相氮化碳（g-C3N4）为原材料，利用纳米片上残留的-NH₂与金属离子进行络合，随后在其表面原位生长金属氧化物。2）阻燃尼龙复合材料的制备：将不同比例(5、10、15wt%等)的阻燃剂与 PA6/PA66加入双螺杆挤出机，进行共混(采取不同的温度工艺参数、旋转速率等)，再通过注塑机(采取不同的温度工艺参数)制成标准样条用以测试阻燃、力学性能。 3）阻燃剂的表征：通过FTIR、XRD和SEM等表征复合型阻燃剂的结构，并通过热重分析考察热稳定性是否得到改善。4）阻燃尼龙复合材料的性能研究：用垂直燃烧试验机和极限氧指数仪评价复合材料的 UL-94 等级、LOI 等阻燃性能；用万能力学拉伸试验机评价复合材料的抗拉、抗弯曲应力、断裂伸长率等力学性能。 5）阻燃机理研究：通过FTIR、SEM、拉曼光谱等仪器对阻燃PA6/PA66燃烧后的残炭进行表征分析分析在不同温度下材料热分解的程度、CO 和NO等有毒气体释放量大小，形成残碳的质量和形貌(是否致密稳定)等，从而分析复合型阻燃剂在PA6 /PA66的阻燃作用机理。

（3）高性能树脂包覆型铝颜料的构筑与性能研究

本项目由刘辉负责实施。片状铝颜料由于其具有鲜艳的金属光泽以及特殊的随角异色效应而被广泛应用于颜料、涂料行业中，目前已在汽车、电脑、手机的装饰中得到实际的应用。然而其在腐蚀性介质中容易发生化学反应而放出氢气，严重影响到片状铝粉的进一步应用。本项目以东洋公司与旭化成公司产品为基准，采用不同的丙烯酸树脂单体包覆铝银浆，期望在不大幅度降低铝颜料光泽度的同时、能显著提升其耐腐蚀性能，同时也希望以丙烯酸酯为主体的情况下研究出性能薄包覆产品，使得国内铝银浆包覆项目上可以达到国际水平。首先在剖析国外高端铝颜料产品结构与组成的基础上，以丙烯酸酯为有机单体、采用原位聚合法在铝颜料表面包覆一层聚丙烯酸酯包覆层，并使用相关检测手段对其结构进行表征，最后对其光泽度与耐腐蚀性能进行系统的探讨。通过制备具有核壳结构的聚合物/片状铝粉复合粒子则可望有效地改善其耐腐蚀性能、附着性能、遮盖性能以及喷板耐腐蚀性能，从而拓展片状铝颜料的应用领域。

具体研究方案为：在酸性条件下，在片状铝粉表面进行阴离子引发剂APS的吸附，以期实现MMA在片状铝粉表面的“表面引发原位乳液聚合”，从而制备PMMA/片状铝粉复合粒子，对复合粒子制备过程中的相关参数如单体转化率、接枝率、接枝效率进行分析，并对聚合过程的动力学进行探讨，同时应用光学显微镜、FTIR、SEM、TEM、TGA等手段对复合粒子进行分析与表征；最后在硅烷偶联剂存在下进行PMMA/片状铝粉复合粒子的制备。

（4）以席夫碱为配体的金属配合物的设计、合成及结构表征

本项目由张寿春老师负责，颜军、王曼娟，耿立平老师参与实施。席夫碱是一类由醛或酮（羰基化合物）与胺之间反应缩合而成的、含有碳氮双键（C=N）的有机化合物。比如以水杨醛和2-氨甲基吡啶在甲醇为溶剂的条件下可以发生反应生成席夫碱化合物（见下图）。

近几十年以来，研究者们合成出了各种结构的席夫碱化合物，并以这些化合物为配体与过渡金属离子反应，制备了许多席夫碱金属配合物，并进一步研究这些配合物在材料、生物、医学、催化等领域的性质，取得了很多有价值的研究结果，也进一步激发了人们探索设计合成新型席夫碱金属配合物的研究热情。本项目为一个开放式研究项目，项目成员首先自己查阅有关席夫碱的研究文献，在文献调研基础上设计出席夫碱及其金属配合物的合成方案，然后再开展具体的实验研究。老师将全程进行指导工作，把握研究方向和研究进展。 本项目通过学生自主查阅文献、设计方案、开展实验、撰写报告等一系列研究工作，旨在培养和提高学生基本的科研思维和科研素养，为将来开展进一步的学习和深造打下较为坚实的基础。

（5）高氮三唑钌配合物催化甲酸析氢性能研究

本课题由何飘老师负责，刘嘉豪，龚丽珊，葛顺配合实施。能源与环境是人类共同关注的问题，氢能具有清洁、高效、安全和可持续等优点，是极具发展潜力的新能源之一。甲醇、甲酸等有机小分子作为液体储氢材料具有较大的优势，设计开发高效稳定的甲酸析氢催化剂，对甲酸氢能源材料发展具有重要的研究意义。本项目基于省自然科学基金项目，结合本科生培养方面中科研创新的需求，旨在培养本科生理论联系实际、独立思考解决问题的科研素养及创新能力，为将来进一步深造或就业奠定良好的基础。

本项目涉及有机化学、无机化学、分析化学，具有交叉学科培养的优势，研究内容主要包括：设计双环唑类、吡啶联三唑类的五元芳香氮杂环配体，合成半夹心和钳型结构的钌配合物，表征目标化合物的结构、热稳定性和电化学性质。测定产物H₂含量以及CO浓度，计算催化反应的转化数和转化频率。探究催化剂用量、甲酸浓度、时间、温度、溶剂、pH等对催化反应的影响，找出最佳反应条件及活性最高的催化剂。主要目标是合成三唑钌配合物，筛选1种高效稳定甲酸制氢催化剂，揭示配合物的结构与催化性能关系，优化甲酸制氢反应条件。以1,2,3-三唑、1,2,4-三唑为基础，设计双环唑类、吡啶联三唑类的五元芳香氮杂环配体，并合成半夹心和钳型结构的钌配合物，表征目标化合物的结构、热稳定性和电化学性质。

（6）厚朴中活性成分的提取及结构鉴定

本课题由施树云老师负责，童超英，王桐涛配合实施。厚朴来源于木兰科植物厚朴或凹叶厚朴的干燥皮、树皮和枝皮，具有燥湿消痰下气除满之功效，用于湿滞伤中，脘痞吐泻，食积气滞，腹胀便秘，痰饮喘咳等症。厚朴中含有酚类，挥发油和生物碱类化合物，其中酚类成分是厚朴中的主要成分，目前对厚朴化学成分的分析方法主要有HPLC、GC、 GC/MS等，在对于厚朴中活性成分的结构鉴定中，这些分析方法具有一定的限制性。本实验利用HPLC对厚朴药材的成分进行分离，根据MS提供的各化合物的分子量、元素组成及质谱碎片信息，鉴定其化学成分。 该方法快速、高效。本项目为一个开放式研究项目，项目成员首先自己查阅有关厚朴活性成分的结构、提取方案及MS特征，在文献调研基础上设计出厚朴活性成分的提取及结构鉴定实验方案，然后再开展具体的实验研究。老师将全程进行指导工作，把握研究方向和研究进展。

（7）BiVO4/Bi/Cu2O-Ag多元异质结构的制备及其光催化还原CO2性能研究

本课题由陈立妙老师负责。能源危机和环境问题已成为当前人类社会所面临的重大挑战。当今世界能源消耗的80%仍来自于化石能源。化石能源的大规模使用在带给人类诸多便利的同时，也造成了二氧化碳（CO₂）的大量排放，使得大气和海洋中CO₂的浓度剧烈升高。研究表明CO₂的浓度剧升是干扰自然碳循环的主要原因，由此引发的全球生态环境变化（如温室效应和海洋酸化）将极大地影响人类的生存和持续发展。目前，通过生物转化、热化学转化、电化学转化等方法可将CO₂转化为有机物，但是CO₂为热力学非常稳定的化合物，要实现上述转化需要消耗大量的能源。因此，开发低能耗的CO₂转化技术具有重要的战略意义。光催化还原CO₂是典型的低能耗转化技术，它以半导体为光催化剂，在光照条件下，能够将大气中的CO₂转化为高附加值的碳氢化合物^[2]。该技术符合当今“绿色化学”和“可持续发展”的环保理念，实现了CO₂的转化和利用，可降低大气中CO₂的浓度，同时以碳氢化合物为载体将太阳能储存为化学能，减少了人类对化石能源的依赖。因此，利用光催化技术将CO2转换成有价值的含碳化学品是节能减排、缓解温室效应和解决能源短缺问题的先进手段，是助力我国实现“2060碳中和”目标的重要途径之一。

项目内容：

1) BiVO4/Bi异质结构的构建

系统研究铋源和钒源的种类、反应物的浓度及比例、溶剂极性、反应时间、表面活性剂种类及其用量、反应温度对BiVO₄/Bi的形貌和尺寸、Bi颗粒的大小和分布密度、缺陷含量、比表面积、组分间结合状态的影响规律。

2) BiVO₄/Bi/Cu₂O异质结构的构建

以BiVO₄/Bi异质结构为模板，利用水热法在它们表面负载Cu₂O纳米结构，构建BiVO₄/Bi/Cu₂O三元异质结构。考察铜源及用量、溶液pH值大小、反应时间、反应温度和添加剂对Cu₂O的形貌结构和尺寸、Cu₂O的含量、 BiVO₄的晶体结构、缺陷含量、比表面积的影响。

3) BiVO₄/Bi/Cu₂O-Ag的构建及其微结构调控

以BiVO₄/Bi/Cu₂O为载体，水作溶剂，硝酸银为氧化剂，利用硝酸银与Cu₂O之间的原位氧化还原反应在Cu₂O表面沉积金属Ag纳米颗粒以构建BiVO₄/Bi/Cu₂O-Ag异质结构。考察硝酸银用量、反应温度对Ag的含量、尺寸以及在Cu₂O表面分散状态的影响。

4) BiVO₄/Bi/Cu₂O-Ag异质结构的光电性能研究

考察BiVO₄的形貌结构、金属Bi颗粒大小和分布密度、缺陷含量、Cu₂O的形貌和含量、异质结接触面的大小对异质结构的禁带宽度及光响应能力的影响。探索光生载流子的产生、迁移、和分离效率随异质结构的形貌结构、化学组成和异质结表/界面变化的递变规律；根据光吸收特性、XPS价带谱、Mott-Schottky曲线确定异质结构的能带结构随形貌结构、化学组成和异质结表/界面变化的递变规律。

5) BiVO₄/Bi/Cu₂O异质结构的光催化CO₂还原性能研究

以光催化CO₂还原为探针反应，以BiVO₄/Bi/Cu₂O-Ag异质结构为光催化剂，分别考察BiVO₄的形貌和结构、金属Bi颗粒大小和分布密度、金属Ag颗粒大小和含量、缺陷含量、Cu₂O的形貌和负载量、异质结接触面对异质结构光催化剂的催化活性、产物选择性以及稳定性的影响，探讨协同机制和构效关系。

（8）金属氧化物催化剂的制备与HCl催化氧化

本课题由周永华老师负责。结合我院化学工程与工艺专业的“资源化工”特色方向和科研优势，在总结往年开放实验经验的基础上，为了给学生创造更全面的训练体验，将材料的制备与化学反应工程两部分内容融合起来，本实验室拟继续申报一项题目为”金属氧化物催化剂的制备与HCl催化氧化”的开放实验。该项目是基于一项国家自科基金、一项横向课题，以及我院“HCl催化氧化及动力学”国家级虚拟仿真项目的实体实验，而提出的。氯资源的循环利用，是化学工业可持续发展的必然要求。如何开发新型催化剂，将HCl催化氧化的温度降低，实现其温和反应，是多年来的化学化工领域研究者追求的目标。本项目鼓励并指导学生开拓思路，从新的角度新的视野，认识该问题，并进行探索。经过多年的建设，化工专业反应工程实验室在气路、电路的布置上进行了全面改造。实验室房间内的气路、电路布置合理，安装了危险气体报警器，安全性有保障。指导开放实验的过程，也将促进师生之间的互动过程。

（9）“科学魔法师”——科学实验素质课程的实践

申请人结合化学实验（科学魔法）开展教学产生了很大影响，选修课《名侦探柯南与化学探秘》结合科学魔法兴趣盎然，受到广大学生的欢迎，得到了广泛关注。《科学魔法师》MOOC现已经获得中南大学MOOC立项，同时，申请人在科学魔法领域也作出了突出贡献。曾受邀作为湖南省的两个代表队之一，参加了中国科技交流中心组织的2019年“科学实验表演大赛，“科学冲破迷信天空”获得优秀奖。负责人结合可乐变色魔术，参加了2019年首届湖南科普讲解大赛进入总决赛并荣获优秀奖。2019年9月起，主持人受邀在《发明与创新》杂志社开辟了科学魔法师专栏，介绍趣味科学实验，产生了很大影响。

申请人拟以上述科研成果为基础，以开设《科学魔法师》科学素质选修课的实践为目标，结合湖南省魅力化学科普教育基地的申报，在中南大学化学化工学院的化学实验中心开展科学魔法师开放实验，对大学生开展科学魔法展示，并对中学生或社会各界结合科学魔法开展科普。目前，申请人已经根据实验效果好，实验危险性低，易于推广，且实验完全不归属与课本的原则，筛选了科学魔法22个，具体见下表。

（10）miR-21小分子抑制剂的定量构效关系研究

项目由文明老师负责。非编码RNA是一类由DNA转录得到但不继续编码蛋白质的RNA序列，在基因与蛋白质的功能调节中发挥着重要作用。miRNA是最重要的非编码RNA之一，在生命内通过与mRNA靶向结合发挥重要的调控作用。在哺乳动物中，miRNA由23个左右的核苷酸组成，可与argonaute蛋白结合形成miRNA诱导的沉默复合物，并通过miRNA与mRNA上的特异性结合位点结合来识别mRNA，引起mRNA分裂或翻译抑制。研究发现，几乎所有的癌症均与人体内miRNA的变化相关联，表明miRNA具有作为疾病治疗靶点的潜力。由于miRNA在癌症中的关键作用，开发miRNA抑制剂自然而然的成为治疗癌症的潜在方法，显示出巨大前景。在人类miRNA中，miR-21是研究最充分的miRNA之一，在许多癌症中均呈现过表达，miR-21已经成为相关癌症治疗的潜在靶点。近年来，一些高通量实验方法常用来筛选miR-21小分子抑制剂，积累了一定量的小分子抑制剂数据，如一项研究使用基于荧光素酶的报告基因检测，从超过300,000 种化合物中发现了一种新的芳基酰胺类miR-21小分子抑制剂，通过结构优化开发了4种芳基酰胺衍生物抑制剂，具有较好的抑制活性和特异性。

虽有大量文献报道了miR-21小分子抑制剂，但累积的miR-21小分子抑制剂数据量仍较少，且散见于各文献中，没有系统性的分析。因此，收集miR-21小分子抑制剂数据，并基于该数据应用机器学习或深度学习方法建立miR-21小分子定量构效关系模型，可为miR-21小分子抑制剂虚拟筛选和结构活性优化提供指导。

本项目为开放式研究项目，项目成员首先查阅有关miR-21的小分子抑制剂文献与数据库，收集大量miR-21小分子抑制剂数据，以收集到的数据为基础开展QSAR建模研究。老师将全程进行指导工作，把握研究方向和研究进展。本项目的研究计划如下：

1）确定团队成员。团队成员需具有一定的python或R或matlab编程基础，或对编程有较浓厚兴趣；

2）在老师指导下，查阅miR-21小分子抑制剂相关文章，熟悉小分子化合物活性数据库，收集miR-21小分子抑制剂数据；

3）以收集到的小分子抑制剂数据为基础，团队开展miR-21的QSAR建模实验；

4）团队撰写研究报告。若团队实验进展良好、取得了较好研究结果，将进一步申请学校的创新创业课题。

本项目通过学生自主查阅文献、设计方案、开展实验、撰写报告等一系列研究工作，旨在培养和提高学生基本的科研思维和科研素养，为将来开展进一步的学习和深造打下较为坚实的基础。

3、教师科研课题

（1）硬碳负极材料的合成及储钠性能测试

本课题由孙旦老师负责，随着能源危机、环境污染的加剧，急需高效利用诸如太阳能、风能、潮汐能以及地热能等可再生清洁能源。但是，可再生能源往往具有周期性、随机性等特点，难以直接并入电网。为了适应用电需求波动，实现削峰填谷的作用，发展一种规模储能装置是至关重要的。钠离子电池因钠资源丰富，成本低廉，安全性较好，成为规模储能领域的理想选择。但是受到Na+较大的离子半径（1.02 Å）和动力学缓慢的限制，诸如石墨、硅碳等锂离子电池主流材料储钠性能不佳，不适宜大规模用于钠离子电池负极，开发高性能储钠材料一直是该领域的研究重点。在各类储钠负极中，硬碳材料具有来源广泛、成本低廉、容量较高、循环寿命长及储钠电位低的特点，有望大规模应用于钠离子电池负极。本实验的学习内容主要包括硬碳材料的合成与表征，钠离子电池负极的制作和纽扣电池的组装，钠离子电池性能的测试与分析等内容。具体如下：

高性能硬碳材料的合成与表征。

将硬碳材料的前驱体进行一定的处理后，放入到管式炉中，在惰性获还原性气氛下于高温下煅烧一点时间，得到硬碳负极材料，优化制备过程的参数。通过HRTEM、BET、Raman、XRD、红外等手段表征所制备硬碳的各种参数。

钠离子电池负极制作和纽扣电池组装。

将所制备的硬碳负极材料通过研磨、涂布、烘烤、裁切等制备硬碳负极极片，然后在手套箱中，按照正极壳、正极极片、隔膜、电解液、负极极片、垫片、弹簧、负极壳依次组装扣式电池。

钠离子电池性能测试及分析。

通过恒流充放电测试、倍率充放电性能测试、高低温测试、循环伏安等测试手段测试评估所组装的扣式电池的电化学性能，并分析性能差异、好坏产生的内在因素。

(2)废旧锂电池中回收有价金属新的绿色工艺

本课题由周涛老师负责，能源危机和环境安全是我们在不久的将来必须解决的两大紧迫问题，而开发绿色能源和全面回收资源是可持续发展的基石。随着锂电池的不断发展，退役的锂电池的数量也在急剧增加。为了节约资源和减少污染，正确处理和回收废旧锂电池越来越受到人们的极大关注。如果处理不当，会导致有害化合物分解。而废旧锂电池中的正极材料通常是含有宝贵的金属元素，如Li、Co、Mn和Ni。因此从废旧锂电池中回收有价金属是符合可持续发展和相关环境战略，促进资源的人为循环，具有重要的经济效益和环境影响。目前从废旧锂电池正极材料回收有价金属技术主要分为三类：火法冶金、湿法冶金、生物浸出。湿法冶金金属具有以下特点：产生的废弃物少、选择性高、对设备要求低、成本低、回收率高。近几年以来，研究者们提出了各种工艺和技术，取得了大量有价值的研究成果，也进一步激发了人们探索从废旧锂电池中回收有价金属新的绿色工艺的研究热情。本项目为一个开放式研究项目，项目成员首先自己查阅有关废旧锂电池中回收有价金属的文献，在文献调研基础上，提出从废旧锂电池中回收有价金属新的工艺方案，然后再开展具体的实验研究。老师将全程进行指导工作，把握研究方向和研究进展。

（3）钌氨配合物电催化氨氧化制取肼

本项目由易小艺老师负责。目前，随着世界各地的空气污染正日益恶化，开发和发展清洁能源刻不容缓，碳中和和氮循环逐渐成为世界上最重要的研究领域。氮基燃料是传统化石燃料的无碳替代品。氨（NH3）是一种无碳富氢载体相比于氢更易储存和运输，且体积能量密度更高，产业基础更完善，被认为是可替代氢（H2）用于燃料电池的理想燃料。肼（N2H4）作为一种强还原性、高能化学试剂，已在医药、农业、航天、化工领域有广泛应用。N2H4作为一种补充燃料，其能量密度甚至高于氨，采用非贵金属催化剂的Nif燃料电池已经在电动汽车中得到应用，因此，N2H4有望成为一种市场需求迅速增长的化学品，可谓是21世纪化学试剂中的生力军。

自从 1907 年Raschig 首次将NH3氧化制备N2H4工业化，现行N2H4的生产仍采用传统的氮氧化法，或加入可循环利用的含羰基反应剂（R2C=0）作为“保护基团”，生成异肼或酮连氮中间体（防止N2H4过度氧化），再水解制备N2H4。经过一个多世纪的发展，合成N2H4依然面临诸多瓶颈问题。NH3脱氢转化为N2H4热力学上非常不利 （DG =+44 kcal/mo1），导致传统工艺中NH3转化N2H4效率低。另外，异肼或酮连氮中间体工艺需要大量有机溶剂，产生大量副产物。并且这些工艺都需要使用对环境有害的含氣强氧化剂，如如Cl，NaClO 等。这些都严重制约 N2H4的大规模应用和发展。因此，开发高效合成N2H4新方法具有挑战性，是具有重要学术价值和现实意义的课题。

目前，小分子配合物作为电催化制备肼处于起步阶段。本项目基于吡啶钌配合物，引入电子能力更强的吡啶吡咯配体及其衍生物用以制备新型的吡啶吡咯钌配合物，力图获取高稳定性和催化活性的AOR催化剂，明确构效关系和催化机制：（1）通过吡咯的加入，降低配合物氧化电位，提高其电催化活性及稳定性；（2）通过在吡啶吡咯配体及其衍生物上修饰不同的官能团，探索具有不同取代基对AOR活性以及稳定性的影响，筛选出高催化活性的吡啶吡咯钌氨配合物。通过多种表征手段明确配合物结构；（3）进行电催化氨氧化测试，建立构效关系，找出高催化性能配合物。基于该高效的配合物进行理论计算，明确其机理。该研究工作的结果不仅可以加深对小分子配合物催化机制的理解，而且可以为未来新型催化剂的构建提供思路。

图1 自然界和生物体中的氮循环。

本课题拟采取的具体实施方案如下：

1. 相关配体和配合物的制备

1）拟采用不同合成原料通过不同取代基之间相互组合制备系列HPDP配体类似物。主要包括在2-甲醛吡啶中分别加入CH3CO2COCH2CH3、CH3COCOCH2CH3和CH3COCH2CH3等，以及选择系列系列前体比例，制备系列HPDP配体类似物。用以引入-CH3、-CO2CH3和-COCH3等；

2）拟采用无水无氧加热回流的方法制备系列钌配合物。反应主要采用cis-[Ru(dmso)4(Cl)2]为钌前体和二联吡啶以及系列Hdpp配体类似物在无水无氧环境中加热回流反应，合成系列吡啶吡咯钌配合物。

3）引入氨配体，制备钌氨配合物。拟采用水热法或者通入氨气法制备系列钌氨配合物。选择反应得到的钌配合物作为前体，主要包括Ru-Cl，Ru-DMSO等，氨源选择氨气、氨水等，选择系列温度、反应时间、投料比例等，制备系列不同结构的钌氨配合物。

配体和配合物的结构可通过核磁共振（NMR）、单晶衍射（XRD crystallography）、拉曼光谱（Raman）、紫外可见（XRD crystallography）、红外光谱（FT-IR）、X 射线光电子能谱（XPS）、质谱（MS）等表征手段来确定。

2. 钌氨配合物氨氧化制备肼的催化性能评价

1） 选择制备的钌氨配合物为AOR催化剂，选择MeCN-NH3为催化电解质，选择室温环境下（25 oC），构建催化体系。

2）引入钌氨配合物，研究对比其催化性能的差异。利用紫外-可见光谱仪来分析氧化过程中的中间产物。结合配体的结构与电子状态，找出影响其催化性能的关键因素。选择钌氨配合物作为究对象。

3）通过电化学表征，研究氨浓度对催化过程的影响。从i-v动力学行为得到扩散系数(D)反应催化常数Kcat以及速率常数Kobs和K’obs。通过调控催化剂和氨浓度的变化，找到催化机理，并与之前的文献进行比较，寻求突破。

4）评价钌氨配合物氨氧化制备肼的催化稳定性。稳定性是AOR重要的考核标准，拟考察钌氨配合物对高浓度、温度、高电位的耐受性，测试钌氨配合物在pH（9-12）范围和温度（-20到100 oC）范围8 h的催化活性。

5） 综合这些钌氨配合物的催化活性与催化稳定性，选择催化性能优异的钌氨配合物用于下一步研究其催化途径。

3. 催化途径与促进机制的分析

1） 确认分子氨的参与

在催化过程中持续通入不同时间的氩气和氨气，比较体系在贫氨和富氨状态下的催化效率来确认溶解的分子氨是否参与催化。

2） 明确催化过程产生的中间体

首先，可通过质谱手段来捕捉不同电解时间所产生的AOR催化剂反应中间体。其次，运用紫外可见的方法来判断，研究紫外吸收峰位置和吸收强度，来确定产生的中间活性产物。

3）揭示催化过程中金属价态转变规律

采用电化学DPV方法，拟用不同催化剂浓度和氨浓度，确认Ru金属价态并明确这些金属价态随时间的变化规律。

4） 构建催化途机制

根据直接与间接起作用的中间态和金属价态的变化规律，构建钌氨配合物AOR催化反应的具体催化途径。

5）催化体系的构建

通过对系列钌氨催化性能和结构进行筛选，筛选调控剂并优化，可构建高效率的催化体系。考察外部环境（压强，温度等）对催化体系的活性影响情况，优化催化条件（例如pH/温度/催化剂浓度），构建AOR催化体系，并评估该体系的重现性、稳定性和活性。

五、实验室开放工作创新

本年度开放实验教学工作立足于多年来的成功经验开展。将继续遵循开放实验项目的遴选、评审和管理专家组回避制度。保证了开放实验项目的公平公开和有序性。本年度学院将继续完善该项制度。同时，学院在以下方面进行了开放实验的工作创新：

1 开放实验项目遴选与管理

本年度开放实验项目改变往年仅有老师个人申报的形式，而是，将老师个人申报和专业系遴选推荐结合的方法设立开放实验教学项目。对于后者，是将开放实验项目的 申报和遴选工作下达给学院各系主管教学的副主任，各系根据教学与科研的具体条件提出申报项目和推荐老师。

2 加强监控管理

开放实验教学相对于普通教学过程，存在自由度大，老师要求不一，个别老师组织不严，开放教学效果不理想等问题。学院要求专家组和实验教学中心联合成立督察机构，对每个项目开放实验教学时间进行落实和检查。

六、实验室开放预期成效

本年度学院计划开放实验教学内容20项。面向学生开放基本操作实验室，物质制备实验室，化工原理实验室和化学化工专业实验教学平台，以及部分科研室。预计参与的学生人数400左右。

参与开放实验教学的教师32人，实验技术人员6人，分别占教师人数的21%，实验技术人员的40%。预期开放效果主要是培养学生基本实验技能，早期科研实践能力。力争训练出优秀学生参加全国化学实验竞赛，化工设计大赛和科技创新类竞赛，并取得优异成绩。争取参加教师科研开放的学生发表学术论文1-2篇。