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关键词： 氢化非晶硅   电化学储氢   第一性原理计算   气体氢化处理   氢扩散机制   电化学行为  

摘要： 氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜在离子液体电解质中具有超高的电化学放电容量(3635m Ah g),使其在质子电池中极具研究和应用价值。最近研究表明,通过气体氢化处理可以极大地提升非晶硅(a-Si)薄膜电极的电化学容量。然而,由于硅材料电极应用于电化学储氢的研究时间较短,a-Si:H的结构又很难准确测定,使得氢化处理对其结构的影响以及其结构与电化学性能之间的关联机制尚不明确。本论文基于第一性原理预测了a-Si:H结构,分析了结构特征对其结构稳定性和电学性能的影响,进而在制备a-Si:H薄膜电极并测试其电化学储氢性能的基础上,采用预测得到的a-Si:H结构基于第一性原理计算深入研究了氢化处理对其结构和电学性能的影响,H原子在a-Si:H电极中的扩散机制,以及a-Si:H薄膜电极在电化学储/放氢过程中的物理化学性质和电化学行为。主要研究结果如下:1.基于第一性原理在不同环境氢浓度(预测结构时设置的氢浓度)条件下预测了具有不同氢含量(预测得到的结构中的氢浓度)的a-Si:H结构,分析了环境氢浓度对其结构特征以及结构特征对其结构稳定性和电学性能的影响。在低环境氢浓度条件(≤2.78 wt.%)下,生成的a-Si:H主要是三维(3D)块体结构;随着环境氢浓度的增加,结构维度逐步降低,在3.44～5.08 wt.%范围内,生成二维(2D)层状结构的概率超过55%;在6.66～9.67 wt.%范围内,生成一维(1D)纳米线结构的概率超过60%;当环境氢浓度增加至11.95 wt.%时,生成零维(0D)纳米团簇结构的概率高达90%。在环境氢浓度较高时,过量的氢以H分子的形式存储在3D结构空隙或2D、1D和0D结构间隙。以Si-H键、Si-H键和Si-H键为主的结构大多是结构稳定的,以Si-H-Si键为主的结构是不稳定的,存在于结构空隙或间隙的H分子会影响结构的稳定性。结构空隙尺寸增加,或结构中出现Si-H和Si-H键时,a-Si:H结构的带隙减小,以Si-H-Si键为主的过渡态结构具有良好的导电性,随着结构维度的降低,a-Si:H结构的带隙呈增加的趋势。2.采用先磁控溅射后气体氢化的方法制备了a-Si:H薄膜电极,研究了氢化条件对电极结构和电化学储氢性能的影响。气体氢化处理可以显著增加电极的氢含量,改善电解液4M CHCOOH/[EMIM][Ac]在电极表面的浸润性,增加电极的氧化还原反应活性,并大幅提升电极的电化学放电容量。在300 C/5 MPa和500 C/1MPa氢化2 h制得的a-Si:H薄膜电极的电化学容量比未氢化的a-Si薄膜电极(180m Ah g)提升了约7～9倍,分别达到了1433 m Ah g和1827 m Ah g。较高的电化学充电速率和较低的放电速率有助于提升电极的电化学放电容量,薄膜电极厚度的减小可以明显提升电极的电化学循环稳定性。随着氢化时间的增加,电极的活化性能和电化学容量保持率略有增加,但对提升电化学容量帮助不大;氢气压强的增加有助于改善电极的活化性能和电化学循环稳定性;氢化温度的增加有助于显著降低电极的活化次数并明显提升电极的电化学容量。3.采用第一性原理计算分析了气体氢化处理对a-Si:H结构和电学性能的影响。随着作用在a-Si:H上的压强增加,a-Si:H结构的平均原子体积和电子能量带隙均呈减小的趋势,且在高压条件下,a-Si:H有着良好的导电性。随着氢化温度的增加,a-Si:H结构中存储的H原子会使结构塌陷为更低维度的结构,且电极结构中的氢含量越高,结构塌陷所需温度越低。在氢化温度作用下演化生成的新结构大多具有导体特性,即氢化温度的增加同样有助于改善电极的导电性能,这在一定程度上很好的解释了氢化处理能够明显提升a-Si:H电极电化学容量的根本原因。在压强和温度协同作用时,压强的增加有助于缓解a-Si:H结构在氢化温度作用下向更低维度结构演化的概率。4.通过第一性原理计算预测了H原子在a-Si:H中的扩散机制。氢化处理显著降低了H原子从电极表面向体相以及从体相向表面的扩散势垒,即大幅提升了a-Si:H电极的储氢性能和储/放氢可逆性。当电极中氢含量较低(对应于电化学充电初期或电化学放电后期)时,H原子通过电极中空的悬挂键进行扩散,而当电极中氢含量较高(对应于电化学充放电中期)时,H原子则是通过硅氢键以跳跃机制进行传输的。H原子可以在两个距离较近的低维结构(如两个2D、1D或0D a-Si:H结构之间)之间进行传输,但随着结构间隙变大,其在两个低维结构间的扩散势垒快速增加,说明轻微的分层和粉化现象并不会影响H原子在a-Si:H电极中的扩散和存储,但较为严重的分层和粉化会极大的影响H原子在电极中的扩散性能。5.采用实验测试与理论计算相结合的方法系统分析了a-Si:H薄膜电极在电化学储/放氢过程中的物理化学性质

关键词： 课程建设   一流专业   《电化学原理》课程  

摘要： 课程建设是人才培养的核心要素，《电化学原理》课程作为青海大学材料科学与工程一流专业建设必修核心课程。通过分析课程发展历程和实践情况，遵循以人为本、知识传授、能力培养、素质提高、协同发展的教学理念，在该课程的内容和资源、教材及教学档案管理等方面，作出相应调整，创建一套以成果为导向、以学生为中心、持续改进的教学体系，达到形成培养学生自主学习能力和创新能力的新课程体系目标，形成理论联系实际、信息化教学等融为一体的多元教学组织模式，全面提升课程质量。

关键词： 第一性原理计算   电化学合成氨   二维氮化物基材料   密度泛函理论   氮还原机制  

摘要： 氨(NH)作为制备化肥最重要的基础原料,在全球经济中占据主导地位。同时,NH也是世界上产量最大的化工产品之一,广泛应用于化工、农业、医药和能源等领域。目前,工业合成NH仍以传统的哈伯(Haber-Bosch)工艺为基础,约占年产量的90%。在Haber-Bosch工艺中,由于氮气(N)具有较强的键能(945 k J mol),通常需要在高温(300-500°C)和高压(150-300 atm)条件下借助铁基催化剂才能将N还原为NH。这意味着会消耗大量的化石燃料,并产生大量的温室气体。近年来,电化学氮还原反应(Nitrogen Reduction Reaction,NRR)作为一种很有前途的合成氨方法引起了人们广泛的关注。该方法最吸引人的优势就是在常温常压条件下,通过简单地改变操作电位和反应环境就能控制NH的生成。然而,目前电化学合成氨的产率和效率都比较低,因此开发一种高性能NRR催化剂仍是当前的研究热点。迄今为止,二维氮化物基材料由于具有天然N配体原子能够稳定锚定金属活性位点而被广泛用于NRR催化剂的基底材料。大量理论和实验结果表明,过渡金属(TM)原子锚定在具有N4/N3配位的二维氮化物基材料上能够表现出优异的催化性能。但是二维氮化物基单原子催化剂(Single Atom Catalysts,SACs)存在稳定性低、活性位点单一等问题,从而限制了这类催化剂在NRR中的进一步研究。为解决这个问题,本论文设计了双金属对以“笼状”结构锚定在硼(B)空位的二维氮化硼(BN)基底材料上、双金属对锚定在具有6N配位空腔的二维CN基底上构成催化剂,利用双金属之间的协同作用来探讨其电化学合成氨的性能研究。与单原子催化剂相比,双原子催化剂不仅提高了活性位点的负载量,而且提供了更多的双金属吸附模式使其表现出不同的催化性能。本论文的主要研究内容及成果如下:(1)在二维BN纳米片上,去掉一个B原子以构建B缺陷的基底材料(V-BN)。然后选择具有良好催化性能且被广泛用作NRR活性位点的过渡金属原子(Ti,Fe,Mo和Ru),将其锚定在BN纳米片的B空位上形成16种固氮催化剂。基于第一性原理计算,首先对所构建的结构进行稳定性分析。其次,定量评估N分子的吸附性能,关键中间体在催化剂活性位点上的吸附自由能变化以及催化剂的选择性。按照“三步走”策略,综合筛选出最具潜力的NRR催化剂。最后,结合电子结构分析,系统探讨所选NRR催化剂的催化性能,并探究双金属活性位点在催化过程中具有较高催化活性的微观内在机理。计算结果表明Ru-Mo/Ru/Ti@V-BN是满足要求的候选者,其中Ru-Ti@V-BN是最有潜力的NRR催化剂。Ru-Ti@V-BN在酶促机制下能够达到-0.40 V的有利极限电势。其活性好的原因可归因于Ru-Ti二聚体具有最大的磁矩,能够打破N≡N三键,显著激活N分子。此外,相比同核双原子催化剂(Double Atom Catalyst,DACs)(Ru-Ru),异核DACs(Ru-Ti/Mo)中第二金属原子的引入可以有效调整Ru活性位点的d带中心。Ru-Ti组合中Ti原子的加入使得该催化剂的d带中心更接近费米能级,从而降低了第一个氢化(N+H+e→NH)过程的速率决定步骤(Rate-Determining Step,RDS)值。(2)在6N空腔结构的CN单层上锚定3d过渡金属原子(TM=Sc～Zn),以形成单原子和同核双原子催化剂来探讨它们的NRR性能。基于第一性原理计算,首先,计算吸附能和内聚能分析催化剂结构的稳定性,然后,在稳定结构的基础上判断N分子的吸附与活化。接着利用第一步氢化(N→NH)和最后一步氢化(NH→NH)的吉布斯自由能变化筛选合适的催化剂进行性能分析。最后,综合上述的结果对反应中间体进行线性拟合,并提出可以预测NRR催化性能的合理的描述符。计算结果表明,稳定的单双原子催化剂均能够有效活化N分子。并且经过氢化步骤的筛选得出Mn/Fe@CN是最有潜力的NRR催化剂。在远端机制下,能够达到-0.33 V和-0.47 V的有利过电势。最后,通过线性拟合得出NH中间体的吸附自由能是一个有效的描述符。我们的理论研究为实验制备高性能的二维氮化物基NRR催化剂提供了新的研究思路和候选材料,并为实现高效NRR的实际应用提供了理论支持。

关键词： 化学逻辑思维   思维可视化工具   思维策略工具  

摘要： 随着以“核心素养”为导向的课程改革正向纵深推进，作为“核心素养之核心”的思维能力得到了越来越多的重视。以思维地图、思维导图和概念图等为代表的思维可视化工具由于具有较高的易用性和较强的实用性，受到了师生们的广泛欢迎，并逐渐成为推动课堂教学变革、实现学生深度学习的重要抓手。本研究尝试将化学逻辑思维可视化工具运用到日常教学活动中，改善高中生化学学习状况，在真实问题情境中提高学生的思维品质。

关键词： 煤制油   化学原理   间接工艺   直接工艺  

摘要： 对煤制油的化学原理进行分析，探讨煤制油工艺的具体应用，提出煤制油工艺效果提升策略，旨在推动煤制油工艺在煤化工领域中的应用。

关键词： 高中化学   反应原理教学   创新策略  

摘要： 高中阶段的化学教学不仅要注重基础化学知识的讲授，还要将提升学生的动手实践能力、培养学生的学习兴趣作为教学重点，不仅要通过学生的化学成绩反映教学成果，更要保证学生能够得到全方面的综合提升。尤其是在化学实践课程的教学上，要重视教材中的反应原理教学，这不仅是重点内容也是整个高中化学学习的难点，更是影响高中阶段的学生化学学习成绩的主要原因。在教学过程中，教师应该通过创新教学方法，提升学生对化学反应原理的理解水平，保证高中化学的教学质量。本文将根据高中化学反应原理教学中存在的问题，分析化学反应原理教学应遵循的原则，并讨论反应原理教学的创新策略，以求利用新的教学资源提升教学水平。

关键词： 高中化学   教材实验   化学反应原理  

摘要： “以实验为基础”是化学学科的重要特征,教材实验对于发展学生的化学学科核心素养和实现课程目标具有不可替代的作用。化学课程改革及教材改革必然会伴随着实验改革,基于不同国家课程改革背景进行教材实验的比较,可以了解国内外课程改革的变化和教材中实验的变化,为实验教学提供可借鉴的经验。《普通高中化学课程标准(2020年修订版)》在化学学科核心素养的内涵、课程内容、教学建议、教材编写建议等各个方面对实验教学提供了指导,为本研究的教材实验评价提供了依据,在此基础上,也参考了美国新一轮的课程改革和与实验相关的文献,最终确立了以核心素养和呈现方式为一级维度的分析框架。选取我国2019年出版的人教版《高中化学》教材和美国《化学:概念与应用(第二版)》中“化学反应原理”专题的相关实验为研究对象,依据分析框架对两版教材实验进行统计分析和比较,从而得出以下结论。在数量上,人教版教材实验总体数量略多于美版教材,且中美两版化学教材在各个主题的实验数量分布具有一致性,均是在主题1和主题3的实验数量多,在主题2的实验相对较少。在核心素养上,中美两版教材实验都注重培养学生的化学学科核心素养,人教版教材实验在微观探析、平衡思想、模型认知维度体现更明显;美版教材实验在证据推理、科学态度、社会责任维度体现更明显。探究水平方面,两版教材实验在“目的确定”和“方案设计”均以控制性水平为主,但美版教材实验在“方案实施”和“结论形成”环节体现出更高的自主性;人教版教材实验在“交流评价”环节较美版教材缺失严重。探究技能方面,两版教材均重视观察、分析与解释、展示与表述、比较、测量、识别与控制变量技能,但美版教材还注重数据表征和推断与预测技能。在呈现方式上,从表达方式来看,中美两版教材实验都重视绿色安全,但美版教材更注重实验中的情境,人教版教材更强调实验设计。从实验类型来看,美版教材实验体现的实验类型较人教版教材更为丰富,尤其是微型实验、家庭小实验、定量实验和创新实验;人教版教材实验重视反应规律实验和定性实验。

关键词： 高中化学   核心素养   教学设计   首要教学原理  

摘要： 《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调要重视开展“素养为本”的教学，发展学生的化学学科核心素养已经成为如今高中化学教学的出发点和落脚点。化学学科以实验为基础，注重在微观层面上研究物质的组成、结构、性质及其应用，且知识面覆盖广而杂。为了满足学生核心素养的发展需求，教师需要更新教学理念。梅里尔提出的首要教学原理强调有效教学是以聚焦问题为中心，包含激活旧知、示证新知、应用新知、融会贯通四个学习阶段。该教学原理与新课标“素养为本”的理念相契合，让学生在解决真实问题的过程中展开学习，积极参与课堂活动，通过知识的综合运用实现融会贯通，提升学生解决实际问题的能力，促进学生核心素养的发展。因此，本研究将首要教学原理应用于高中化学课堂教学中，以验证其教学效果。　　首先，通过查阅整理“化学学科核心素养”和“首要教学原理”相关文献，发现针对化学核心素养的研究十分丰富，但是鲜有运用首要教学原理发展学生化学核心素养的研究。对首要教学原理相关理论进行梳理，发现其中的部分原理存在于建构主义、认知主义等多种教学理论中，普适性较高，为本研究提供了理论依据。其次，对首要教学原理应用于化学教学中的可行性以及如何运用首要教学原理发展学生的化学学科核心素养进行了分析。采用问卷调查法对甘肃省某中学部分高二学生展开调查，发现学生的化学学习兴趣较为浓厚，课堂参与度较高，对基于首要教学原理的教学较为期待，但是学生的化学核心素养有待提升。再次，以首要教学原理为指导理论，结合波纹环状教学设计模式以及化学学科的特点，构建了基于首要教学原理的高中化学教学设计流程，选取选择性必修3中的《蛋白质》一节内容撰写具体教学设计。采用准实验法，在甘肃省某中学选取水平相当的两个班级展开实践，实践后利用SPSS26.0软件对学生课后测试成绩进行分析，并结合学生课堂表现以及学生课后问卷调查分析实践结果。　　实践研究结果表明，基于首要教学原理的教学有利于促进学生学习水平的提升，学生课后测试成绩表明，实验班成绩优于对照班，且独立样本T检验结果表明两个班存在明显差异。基于首要教学原理的教学有利于促进学生化学学科核心素养的发展，尤其是宏观辨识与微观探析、科学态度与社会责任素养。基于首要教学原理的教学有利于激发学习兴趣，提高课堂参与度，学生课后问卷调查显示，学生很喜欢该教学方式，课堂表现积极，参与度较高。

关键词： 核心素养   教科书对比   盐类的水解   教学设计   教学实施  

摘要： 教育是民族复兴的基石,而中小学教育又是教育的基础。党的十九大报告强调,要把立德树人作为教育的根本任务,全面发展素质教育。党的二十大进一步提出要加强教育强国战略的建设。2017年,国家颁布了新一轮的课程标准,明确提出了化学学科核心素养的概念及内涵,表明以核心素养为基础的教学方法有助于培养和提高学生的个人能力,实现学生综合素质的全面发展,同时也有助于21世纪人才的培养。在《普通高中化学课程标准(2017年版)》的指导下,出现了多种版本的化学教科书,其中人民教育出版社和山东科学技术出版社的教科书使用面最广。本研究使用文献分析法、比较研究法、案例分析法、访谈法等教育研究方法,对这两种版本教科书展开深入、细致地剖析,挖掘不同版本教科书中所涉及的核心素养,结合比较结果,以“盐类的水解”相关内容为实例,进行教学设计和教学实践,以期帮助一线教师更快地把握新版教科书的发展趋势,为其提供一些启发和借鉴,进而将化学学科核心素养更好地融入到课堂教学中,最终提升育人质量。全文共包括六个部分:第一部分为绪论。阐述了研究背景、研究目的、意义和内容,并分别对国外、国内的化学教科书比较和核心素养的研究现状进行了详细地梳理。第二部分为核心概念和理论基础。对课程标准、核心素养、化学学科核心素养、化学教科书进行了概念界定,并呈现了与本文研究相关的主要理论。第三部分以2019年人教版选择性必修1《化学反应原理》与2019年鲁科版选择性必修1《化学反应原理》为研究对象,研究了两者在内容排版、内容选择、栏目设置方面的异同以及核心素养的体现情况。发现两个版本教科书对于化学学科核心素养的呈现各有侧重,且人教版教科书适当地分散了教学难点,教学内容较为分散,鲁科版侧重知识点的衔接性,教学结构较为紧凑,注重培养学生独立思考能力等特点。第四部分以“盐类的水解”为例,详细地呈现出融入化学学科核心素养后教学设计的具体环节。通过前文对两版本教科书的对比分析,将其中关于“盐类的水解”内容进行重新编排,针对这节内容进行了3个课时的教学设计,旨在将化学学科核心素养融入到教学活动的各个环节中。第五部分以武汉市某重点高中二年级的两个平行班级为研究对象,为探究学生化学学科核心素养的起点,在教学实践进行之前进行教学前测,编制前测试题并利用SPSS 26软件分析学生的考试结果,实验结论证明学生的核心素养水平具有同质性,可以进行教学实践。此次研究分为实验班和对照班,分别采用融入了核心素养的教学设计和传统教学设计进行讲授,教学实践完成后,对两个班级学生进行教学后测和访谈,并进行分析。教学实验和访谈结果证明,采用融入了核心素养的教学设计进行教学后,学生的核心素养有了明显的提升。第六部分是研究结论和反思与展望。分析人教版和鲁科版教科书结构的异同,进而挖掘其各自所蕴含的化学学科核心素养,通过归纳整合,将其结论融入到教学设计的各个环节中。这种新的教学设计方法有助于学生发展化学学科核心素养,促进学生的全面发展。

摘要： 高三作为学生高中生涯的最后一年，也是学生核心素养培养和发展的重要一年。高三教学需要一线教师进行深入的研究，努力摆脱以“解题”为主的传统高三复习模式，寻求能使学生核心素养得以提高和升华的教学方式。