化學反應(yīng)論文范文

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第1篇

從知識的概括抽象程度來看，孤立的某一、兩個化學反應(yīng)的實例及其應(yīng)用往往價值有限。要使它們變得真正富有教育意義，就必須把它們納入到學科知識的結(jié)構(gòu)中，需要把事實(實例)、概念和規(guī)律與化學觀念、學科中普適性更高的重要概念和方法，如物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的檢驗、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、化學反應(yīng)的驗證等組合起來，讓學生能夠基于這些不同層次知識間的內(nèi)在聯(lián)系實現(xiàn)知識的拓展和知識結(jié)構(gòu)的改造(見圖1)，讓學生能夠從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學科思想觀點與解決問題的思路和方法，以提升學生的化學思維水平。以“二氧化碳與堿的反應(yīng)”為載體來感悟?qū)W科中普適性更高的化學觀念、重要概念與方法，需要學生“穿越”事實，需要讓學生經(jīng)歷以事實、現(xiàn)象、規(guī)律為基礎(chǔ)的比較與分析、歸納與概括、觀點表達與質(zhì)疑等思維活動。這是實現(xiàn)學生知識改造、完善學生認知結(jié)構(gòu)的重要保障。例如，以二氧化碳使澄清的石灰水變渾濁、二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)無明顯現(xiàn)象等內(nèi)容為認識對象，圍繞“探究化學反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)”這一核心任務(wù)，需要引導學生利用聯(lián)系和變化的觀點，整合之前所學的相關(guān)知識，通過比較、分析、概括等思維過程，逐步完善相應(yīng)的分析思路與方法(見表1)。

2學生的認識發(fā)展與障礙分析

物質(zhì)的性質(zhì)、反應(yīng)與檢驗，化學反應(yīng)發(fā)生的驗證與物質(zhì)的變質(zhì)等內(nèi)容涉及的知識點多，其綜合性較強，學生學習存在一定困難。表現(xiàn):少數(shù)學生對實驗現(xiàn)象的描述不準確，對實驗原理的分析及化學方程式的書寫有錯誤;在有關(guān)實驗探究及方案設(shè)計方面，大多數(shù)學生沒有思路或思路混亂，對實驗過程的描述和分析不清楚等。多數(shù)學生能夠依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)對單一物質(zhì)進行檢驗、解釋相關(guān)現(xiàn)象等，但對于相對復雜的問題，如兩種物質(zhì)同時存在如何檢驗?zāi)骋环N物質(zhì)時，想不到或不會分析排除干擾，不能將知識綜合運用。基于上述分析，學生在復習過程中需要發(fā)展的方面主要如下:①知識的鞏固與提升。以“二氧化碳與堿的反應(yīng)”為載體，將常見物質(zhì)(二氧化碳、氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸鈣)與上述反應(yīng)建立關(guān)聯(lián)，建立這幾種物質(zhì)的性質(zhì)、反應(yīng)、檢驗與轉(zhuǎn)化的認識，幫助學生建立有聯(lián)系的知識，促進知識的鞏固、整合與系統(tǒng)化。②分析思路與方法的完善。以二氧化碳與氫氧化鈉是否反應(yīng)為探究點，從驗證反應(yīng)物減少、驗證有新物質(zhì)生成兩個角度來探究反應(yīng)是否發(fā)生，在問題解決的過程中促進學生完善分析思路與方法。③認識角度的拓展，將知識應(yīng)用于解決較為復雜的問題。如，換個角度看“二氧化碳與堿的反應(yīng)”，引出氫氧化鈉溶液的變質(zhì)問題，按照是否變質(zhì)、是部分變質(zhì)還是完全變質(zhì)等問題的探究，將常見的堿(氫氧化鈉)與鹽(碳酸鈉)的性質(zhì)、反應(yīng)與檢驗融入其中。物質(zhì)的檢驗需利用物質(zhì)的性質(zhì)差異來進行。利用氫氧化鈉與碳酸鈉的化學性質(zhì)差異來分析和解決氫氧化鈉溶液的變質(zhì)問題(見表2)，可以幫助學生形成較為清晰的思考問題的路徑，有利于幫助學生應(yīng)用所學知識解決實際問題。

3復習教學活動設(shè)計

(1)復習教學的整體思路基于上述分析，在“二氧化碳與堿的反應(yīng)”復習教學中，基于學生的認知基礎(chǔ)與發(fā)展需要，從物質(zhì)的性質(zhì)、檢驗、轉(zhuǎn)化(變質(zhì))以及化學反應(yīng)的驗證等多角度來深入認識化學反應(yīng)便成為復習的核心所在。為此，將“二氧化碳與堿的反應(yīng)”專題進行整體復習教學設(shè)計:第1課時，定性分析二氧化碳與堿的反應(yīng)，側(cè)重物質(zhì)檢驗、反應(yīng)發(fā)生的驗證以及堿的變質(zhì)問題;第2課時，定量分析二氧化碳與堿的反應(yīng)，解決實驗裝置的分析及實驗中某物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的計算等問題。(2)主要復習活動舉例以第1課時的教學為例。教學思路如下:(課的引入)二氧化碳與堿反應(yīng)的再認識(任務(wù)1)探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液是否發(fā)生了反應(yīng)(任務(wù)2)分析堿的變質(zhì)問題(任務(wù)3)提升思路與方法，解決新的問題。任務(wù)1和任務(wù)2的設(shè)計，體現(xiàn)了同一問題的不同認識角度，即通過檢驗生成物不僅能判斷氫氧化鈉溶液與二氧化碳是否發(fā)生了反應(yīng)，還能分析堿液是否變質(zhì)的問題。任務(wù)3的設(shè)計，注重在解決新的問題過程中，增進學生的理解力，并形成應(yīng)用化學反應(yīng)分析問題的思路和方法。現(xiàn)就其中的主要活動設(shè)計簡要說明如下。任務(wù)1探究二氧化碳與氫氧化鈉是否發(fā)生了反應(yīng)［問題1］如何用實驗證明二氧化碳與氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)?［素材1］2013年北京化學中考32題實驗裝置(見圖2)。［學生活動1］分析此裝置的特點及小氣球的作用。思考并討論:證明二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)需進行的操作、相應(yīng)的實現(xiàn)現(xiàn)象及發(fā)生的相關(guān)反應(yīng)是什么。［設(shè)計意圖］利用圖2所示的實驗裝置，證明二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實驗操作依次為:第一步，將針管1中的氫氧化鈉溶液推入瓶中，氣球鼓起，發(fā)生的反應(yīng)是CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O反應(yīng);第二步，將針管2中的稀鹽酸推入瓶中，溶液中有氣泡產(chǎn)生，氣球變癟，發(fā)生的反應(yīng)為Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2;第三步，向外拉注射器3，澄清石灰水變渾濁，發(fā)生的反應(yīng)是CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O。以此作為教學素材，將反應(yīng)原理與實驗裝置、操作有機整合，指導學生如何看實驗裝置圖，如何在新的實驗情境中分析化學反應(yīng)，從而體會到如何利用化學反應(yīng)解釋現(xiàn)象、檢驗物質(zhì)、說明反應(yīng)的發(fā)生。［素材2］學生探究二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實驗微視頻。［問題2］想一想實驗還有需要完善的地方嗎?有哪些干擾因素?如何排除干擾?［學生活動2.1］觀看學生實驗視頻，思考和交流實驗探究二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)的思路:通過驗證生成物碳酸鈉的存在，即加酸有氣泡，生成的氣體使澄清的石灰水變渾濁，說明二氧化碳與氫氧化鈉溶液反生了反應(yīng)。討論和分析實驗的干擾物質(zhì)及排除方法:瓶中有可能存在沒有反應(yīng)完的二氧化碳。而要排除瓶中二氧化碳的干擾，需在推入鹽酸前，先向外拉注射器3。若無明顯現(xiàn)象，說明瓶中二氧化碳已完全反應(yīng)。［追問］設(shè)計實驗通過氣壓差能否驗證二氧化碳與氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)?［學生活動2.2］思考并交流需排除氫氧化鈉溶液中水的干擾，學生能想到做對比和控制變量的實驗。觀看用氫氧化鈉固體與二氧化碳反應(yīng)的視頻，說明通過證明二氧化碳減少，產(chǎn)生氣壓差也能證明二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)發(fā)生。［方法提升］在互動交流中師生共同總結(jié)檢驗無明顯現(xiàn)象反應(yīng)發(fā)生的方法。［設(shè)計意圖］播放學生實驗的微視頻，將實驗原理、裝置的理論分析與學生探究實驗的實踐相結(jié)合，能有效地激發(fā)學生新的學習。利用連續(xù)性的問題引導學生思考、討論和交流，讓學生參與實驗探究的全過程。一方面幫助學生理清檢驗無明顯現(xiàn)象反應(yīng)發(fā)生的思路，即可以從驗證反應(yīng)物的減少、驗證有新物質(zhì)生成兩個角度來考慮;另一方面引導學生發(fā)現(xiàn)驗證實驗中的干擾因素并考慮如何排除干擾，在問題分析與解決的過程中提升化學思維，培養(yǎng)思維的嚴謹和發(fā)散性。任務(wù)2對氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)及變質(zhì)程度的探究［素材3］一瓶久置的氫氧化鈉溶液。［學生活動3.1］思考久置的氫氧化鈉溶液有可能發(fā)生的變化:氫氧化鈉溶液與空氣中的二氧化碳可能發(fā)生了反應(yīng)。［問題3］如何檢驗這瓶氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)及變質(zhì)的程度呢?［學生活動3.2］思考如何來分析氫氧化鈉溶液的變質(zhì)問題，設(shè)計相應(yīng)的實驗方案并完成學案中的相關(guān)內(nèi)容。［追問］若證明氫氧化鈉溶液部分變質(zhì)，如何排除碳酸鈉對氫氧化鈉檢驗的干擾?［學生活動3.3］交流完成的學案(見表3)及設(shè)計的實驗方案(見表4)。小資料:①碳酸鈉俗稱純堿，其水溶液呈堿性。②CaCl2溶液呈中性，CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl［方法提升］在互動交流中師生共同總結(jié)判斷堿液是否變質(zhì)及變質(zhì)程度的方法。［設(shè)計意圖］提出氫氧化鈉溶液的變質(zhì)問題，給學生一個新的視角，通過分析與討論，讓學生體會到通過檢驗生成物不僅能判斷氫氧化鈉溶液能與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)，還能幫助分析堿液是否變質(zhì)，這樣給學生之前已完成的復習增添了新的意義。分析氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)的關(guān)鍵要看是否有碳酸鈉存在，因此可以利用碳酸鈉的性質(zhì)進行檢驗。分析氫氧化鈉的變質(zhì)程度關(guān)鍵在于分析生成物的成分:如果是全部變質(zhì)，生成物只有碳酸鈉;如果是部分變質(zhì)，生成物中既有碳酸鈉，又有氫氧化鈉。要說明變質(zhì)程度關(guān)鍵是要證明氫氧化鈉是否存在。要檢驗氫氧化鈉的存在，還需要考慮如何排除碳酸鈉的干擾。基于上述的分析思路的討論，引導學生學會從哪些角度分析、如何通過實驗來證明氫氧化鈉堿液的變質(zhì)問題，促進學生將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。在實驗方案的書寫與交流方面，要求學生從“取、加、若、則”四個方面做答，以規(guī)范和提升學生實驗方案的書寫與表達水平。任務(wù)3提升思路與方法，解決新的問題［問題］利用二氧化碳與堿液反應(yīng)能解決哪些問題?如何解決呢?［學生活動］總結(jié)所復習的內(nèi)容，在教師引導下學生完善板書內(nèi)容(見圖3)［拓展應(yīng)用］有一包久置的生石灰干燥劑，你能探究哪些問題?請說出你的思路與方法。［設(shè)計意圖］通過“二氧化碳與堿的反應(yīng)”特點及其應(yīng)用的分析，整理所復習的知識內(nèi)容，讓學生進一步體會多角度地認識化學反應(yīng);通過板書(見圖3)結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)的內(nèi)容與分析要點，將分析問題的角度與思維可視化，讓學生清晰地知道證明化學反應(yīng)發(fā)生的思路、分析堿液是否變質(zhì)及變質(zhì)程度的方法。設(shè)計的拓展應(yīng)用，重在促進學生運用所學知識解決相關(guān)的不同問題，既是給學生提供更多的練習與應(yīng)用的機會，也可以用此來說明或檢測學生是否掌握了所復習的內(nèi)容。

4結(jié)束語

第2篇

一、活用網(wǎng)絡(luò)整合資源，優(yōu)化自主合作學習

選取“化學反應(yīng)條件的優(yōu)化———工業(yè)合成氨”一課進行網(wǎng)絡(luò)背景下的自主合作學習的原因有：一是本節(jié)課內(nèi)容是“化學反應(yīng)的方向”“化學反應(yīng)的限度”“化學反應(yīng)的速率”等化學理論知識的延續(xù)拓展，也是學生綜合利用化學理論知識解決實際問題的具體案例，而合成氨反應(yīng)也是學生熟悉的、典型的平衡體系，是重要的化學工業(yè)之一；二是本節(jié)課教學內(nèi)容難度不大，但內(nèi)容相對分散，而且是學生自開設(shè)化學課以來第一次較多地接觸到化工生產(chǎn)，適于安排網(wǎng)絡(luò)教學形式；三是經(jīng)過高中一年的訓練，學生的思維水平正從感性思維、形象思維向理性思維、抽象思維轉(zhuǎn)變，基本上具備積極主動獲取知識的能力，參與意識、合作意識已有較明顯的提高。同時學生已經(jīng)完成信息技術(shù)課程的學習，掌握信息技術(shù)操作的基本技能，足以勝任網(wǎng)絡(luò)背景下自主合作學習的要求。通過自我實踐和探索完成知識的學習和建構(gòu)是自主合作學習的核心，而網(wǎng)絡(luò)背景下的自主合作學習的關(guān)鍵是如何運用網(wǎng)絡(luò)平臺整合教學資源。在實施本課程教學時，主要從兩方面入手：一方面將學習資源進行篩選、整合，優(yōu)化呈現(xiàn)方式。如將有關(guān)合成氨的學習資源整合成一份資料包，內(nèi)含：導學案的Word文檔，合成氨生產(chǎn)的溫度、壓強、催化劑數(shù)據(jù)分析模型、曲線圖，合成氨工廠模型建造過程的視頻，合成氨生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)搜索關(guān)鍵詞及網(wǎng)址等，這樣做有助于學生利用紛繁復雜的知識進行有序的學習；另一方面將學生資源進行整合。如合理地將學生進行分組，本次授課班級有40位學生，通過精心巧妙地編排座位，分為12個小組，每個小組3～4名學生，一人負責上網(wǎng)查資料，一人負責查詢提供的信息，一人負責引導討論并完成電子導學案。分組時力求每個小組的學力水平保持相對均衡，每組都要有較為活躍、善于關(guān)心和鼓勵他人的學生，以增強組員之間的合作意識。在自主合作學習過程中，要求小組成員明確分工并相互交換角色。整合教學資源的目的是為了運用，那么經(jīng)過整合的教學資源在課堂上能呈現(xiàn)出預期的精彩嗎？不一定，有時可能跟教師的預期相差很遠，這就需要靈活運用網(wǎng)絡(luò)平臺，把握教學資源呈現(xiàn)的時機和呈現(xiàn)的形式。如在本節(jié)課的教學過程中，講到合成氨工廠需要龐大而復雜的設(shè)備時，順勢引導學生觀看資料包中的三維動畫及課件中的圖片，讓學生直觀感受實現(xiàn)合成氨工業(yè)化生產(chǎn)的困難，學生就會產(chǎn)生質(zhì)疑：“既然實現(xiàn)合成氨工業(yè)化生產(chǎn)那么困難，不研究可以嗎？”此時，借機引導學生查看課前印發(fā)的閱讀材料和資料包中提供的網(wǎng)址上網(wǎng)瀏覽，了解合成氨的重要性，緊接著用教師機展示歸納好的合成氨的重要性，進而讓學生明白學習這節(jié)課的必要性和重要性。利用網(wǎng)絡(luò)平臺采集資源、整合資源，并靈活地運用于課堂教學實踐中，使課堂教學充滿無窮的魅力；同時把課堂交給學生，讓他們大膽嘗試，學習效率自然就提高了，從而優(yōu)化自主合作學習。

二、妙用網(wǎng)絡(luò)克服弊端，提升自主合作學習效果

網(wǎng)絡(luò)背景下的自主合作學習以學生為主，開放性很強，豐富的教學素材為學生提供了多樣化學習的可能，但是，若沒有方法指導進行盲目的學習，是很難抓住課程重難點的。另外，課堂有限的時間未必能保證學生學習所有的教學素材。因此，要發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)平臺的優(yōu)勢，除了選取合適的教學內(nèi)容，充分做好學情分析以外，還需要教師對學生可能的學習手段和方式做好充分的預設(shè)，保證在有限的教學時間內(nèi)幫助學生達成教學目標。這就需要教師在教學過程設(shè)計和教學資源整合上做好文章，充分發(fā)揮教師的引導作用。如在實施本課教學時，從以下幾個角度入手：一是課前進行理論分析，明確學生自主合作學習的任務(wù)，設(shè)計電子導學案，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送在班級QQ群中。在電子導學案中設(shè)置的問題有：利用平衡移動的知識分析如何提高氨的產(chǎn)量；利用化學反應(yīng)速率的知識分析如何提高合成氨的反應(yīng)速率；從化學平衡的角度和化學反應(yīng)速率的角度分析溫度、壓強、催化劑、反應(yīng)物濃度和生成物濃度對合成氨的影響。當學生在自主合作學習過程中可能會發(fā)現(xiàn)達到高轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率所需條件會產(chǎn)生相互矛盾時，再追問幾個問題：壓強怎么選擇？溫度怎么確定？N2和H2的體積比為何是1∶2．8？合成氨工業(yè)生產(chǎn)中，原料氣為什么要循環(huán)利用？為什么要在適當?shù)臅r候?qū)睔鈴幕旌蠚庵蟹蛛x出來？二是教師有目的地查尋信息，精選網(wǎng)絡(luò)資源，對豐富的教學素材進行整合與歸納，整理成一份資料包發(fā)送到每臺學生機上。學生可以通過閱讀多媒體課件中提供的信息，并根據(jù)提供的相關(guān)網(wǎng)址上網(wǎng)瀏覽相關(guān)材料以及閱讀教材P68－69中的“化學與技術(shù)”，解決電子導學案中的基本問題。三是在學生自主合作學習時，教師有目的地深入到各小組中，參與學生的交流和討論，對學生的觀點、看法做到心中有數(shù)，并隨機提出問題，引導學生利用網(wǎng)絡(luò)平臺提供的學習素材解決問題。如討論“合成氨適宜溫度選擇”這一問題時，學生認為反應(yīng)速率與化學平衡的結(jié)論有矛盾，教師指導學生查詢PPT課件中“鐵觸媒催化能力———溫度圖”解決溫度問題。四是在師生交流環(huán)節(jié)中選擇與課堂重難點有關(guān)的問題加以討論。教師可以利用交互功能，在學生通過網(wǎng)絡(luò)平臺提交的反饋作業(yè)中，找出兩份具有代表性的作業(yè)發(fā)送到學生機上進行分析討論，如在解決生成物濃度對提高合成氨反應(yīng)速率的影響時，一組學生認為應(yīng)增大濃度，另一組學生則認為要降低濃度，教師順勢引導小組成員查看課件中合成氨的速率方程，引發(fā)小組之間討論交流、發(fā)表看法，共同得出結(jié)論：應(yīng)該是降低氨氣的濃度以提高反應(yīng)速率。網(wǎng)絡(luò)教學有傳統(tǒng)媒體不可比擬的優(yōu)勢，但也存在先天的局限。只有學習的指向性得到保證才能節(jié)省課堂時間，才能保證絕大多數(shù)學生通過課堂的學習，達成教學目標，學生才有時間在網(wǎng)絡(luò)平臺上學習自己感興趣的內(nèi)容，拓寬視野，提升自主合作學習效果。總之，基于網(wǎng)絡(luò)背景下的自主合作學習，使教材內(nèi)容與生動的網(wǎng)絡(luò)信息有機整合，優(yōu)化了課堂教學結(jié)構(gòu)和學生的學習方式，提高了課堂教學效率；既發(fā)揮了教師的主導作用，又充分體現(xiàn)了學生的主體作用，培養(yǎng)了學生自主合作學習的能力和意識。

作者： 沈?qū)毴A 單位：福建寧德市民族中學

第3篇

在電池的充放電過程中，電極材料體積的顯著變化容易導致結(jié)構(gòu)的塌陷[13-15]，開發(fā)嵌鋰后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料是解決這一問題的關(guān)鍵。Wang等指出，空心圓錐形結(jié)構(gòu)可以有效緩解充放電過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力和體積變化[16]，從而顯著提高其循環(huán)穩(wěn)定性。受該工作啟發(fā)，本研究組通過引入碳來調(diào)整高價錳被二價錳離子還原的速率，利用水熱法和Ostwaldripening機理實現(xiàn)低結(jié)晶度氧化錳的溶解再結(jié)晶，以及結(jié)構(gòu)導向劑對晶體的誘導生長，然后通過反應(yīng)器內(nèi)溫度場、濃度場控制，使其滿足氧化錳圓錐形結(jié)構(gòu)生長所需要的動力學條件，成功制備了氧化錳空心圓錐體/碳納米復合材料[17]，如圖1所示；作為鋰離子電池負極材料，表現(xiàn)出高的電化學性能。在此基礎(chǔ)上，進一步利用復合材料中的碳加速氧化錳的還原速率，從而顯著降低嵌鋰溫度（380°Cvs.700°C），成功地將氧化錳/碳復合材料轉(zhuǎn)變成單晶錳酸鋰空心圓錐體鋰離子電池正極材料。表現(xiàn)出高的比電容量（127mAh•g-1vs.理論容量148mAh•g-1）、高功率性能（100mAh•g-1，50C）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（>1000次）[18]。因為贗電容材料的電化學反應(yīng)僅僅發(fā)生在材料的表面，減小顆粒尺寸還可以顯著提高材料的電化學活性[19-21]。本研究組利用結(jié)構(gòu)導向劑對晶面的誘導生長，通過控制反應(yīng)物界面溫度濃度梯度，制備了多種超細超薄層狀化合物，顯著提高了其電化學活性。采用雙表面活性劑六亞甲基四胺和水合肼對晶面進行誘導生長，并控制界面的反應(yīng)-擴散速率，利用水熱反應(yīng)實現(xiàn)了不同厚度氫氧化鎳納米片的可控制備及自組裝，得到的超薄氫氧化鎳納米片組裝形成的花狀結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)異的電容特性，明顯優(yōu)于較厚納米片的組裝體[22]；基于水熱環(huán)境中強堿溶液對二氧化錳納米線表面微區(qū)的反應(yīng)-擴散速率，制備出具有超高長徑比的超細二氧化錳納米線（直徑約3-6nm），顯著提高了其比電容量[23]，且其電化學性能優(yōu)于Tang等和Xiao等課題組報道的二氧化錳納米帶[24]、納米管[25]等結(jié)構(gòu)；通過控制反應(yīng)速率和氧化錳的晶體生長習性，通過簡單的液相法合成了具有不同結(jié)晶度的超薄二氧化錳層狀結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明氧化錳的結(jié)晶度越低、比表面積越大，其比電容量越高[26]。通過構(gòu)建超薄超細的納米結(jié)構(gòu)以及新型穩(wěn)定的空心結(jié)構(gòu)來提高電極材料的電化學活性和穩(wěn)定性是切實可行的。超薄超細納米結(jié)構(gòu)可以提供更高的比表面積和電化學反應(yīng)效率，進而提高活性材料利用率及其電化學性能；空心圓錐形結(jié)構(gòu)可以存儲大量的電解液，保證快速的電子離子傳輸，并能夠有效緩解電極材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和體積變化，提高其穩(wěn)定性。

2界面限域反應(yīng)控制制備金屬氧化

物嵌入介孔碳雜化材料氧化錳作為典型的過渡金屬氧化物儲能材料，具有高理論容量、廉價等優(yōu)勢；但是，當氧化錳應(yīng)用于超級電容器電極材料時，其電導率低、且在電化學反應(yīng)過程中容易導致錳離子的部分溶解（2Mn3+Mn4++Mn2+），導致其功率特性和循環(huán)性能比較差，阻礙了其在電化學領(lǐng)域中的應(yīng)用[27,28]。目前，解決這些問題的主要方法是將MnO2負載在導電化合物的表面。例如，Guo等成功地將MnO2負載在導電高分子/石墨烯復合物的表面[29]，Xia等將MnO2納米片生長在碳納米管外表面[30]。采用上述方法雖然可以顯著提高MnO2的電化學活性，但是復合材料的比電容量小，且MnO2留在外部，錳離子的部分溶解問題仍然存在。針對這些不足，本研究組提出了制備金屬氧化物嵌入介孔碳納米雜化材料的思路（如圖2a所示）[31,32]，這種結(jié)構(gòu)不僅體現(xiàn)了介孔碳高功率特性與金屬氧化物高能量特性之間的強耦合作用，而且避免了金屬氧化物與電解液的直接接觸，從而有效緩解了充放電過程中的溶解問題。制備過程主要利用多巴胺構(gòu)筑固-液反應(yīng)界面，借助聚多巴胺的氨基和羥基與金屬離子之間的絡(luò)合反應(yīng)生成金屬有機化合物，通過碳化過程創(chuàng)新性地制備了金屬氧化物嵌入介孔碳雜化材料，如圖2b-2c所示；氧化錳嵌入介孔碳雜化結(jié)構(gòu)復合材料的比電容量高達266F•g-1，在60A•g-1的大電流密度下比電容量仍保持150F•g-1，明顯高于純MnO2納米線（75F•g-1，20A•g-1）；經(jīng)過1200次循環(huán)后比電容量也沒有明顯下降的趨勢，顯著提高了其循環(huán)穩(wěn)定性。在此研究工作的基礎(chǔ)上，本研究組還進一步設(shè)計制備了異質(zhì)結(jié)構(gòu)豆莢狀氧化錳/碳納米復合材料[33]，有效解決了鋰化反應(yīng)過程中材料體積顯著膨脹所造成的活性材料部分溶解和結(jié)構(gòu)破壞等問題。在材料的制備過程中，利用多巴胺易于成膜的特點，借助氧化錳前驅(qū)體納米線和氧化錳納米線結(jié)晶度的不同，控制碳化過程中溫度分布，使氧化錳前驅(qū)體納米線發(fā)生原位分解，并斷裂成高結(jié)晶度的氧化錳納米顆粒，從而實現(xiàn)了豆莢狀氧化錳/碳異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，且顆粒與顆粒之間存在大量的空隙。作為鋰離子電池負極材料，這種豆莢狀結(jié)構(gòu)比氧化錳納米線、氧化錳/碳核殼納米線表現(xiàn)出具有更高的容量和充電、放電倍率性能，且經(jīng)過1000次連續(xù)充放電測試，循環(huán)前后電極材料的結(jié)構(gòu)保持高度一致性。基于多巴胺易成膜的特點，利用多巴胺構(gòu)筑固-液反應(yīng)界面，來制備金屬氧化物嵌入介孔碳雜化結(jié)構(gòu)是一種方便可行的方法。該方法可以有效提高金屬氧化物的電導率，并緩解其在電解液中的部分溶解，進而提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

3新穎三維結(jié)構(gòu)的多元復合電極材料

對于納米材料制備過程，通過組裝等方法形成具有特定結(jié)構(gòu)的復合材料體系具有重要意義，因為組裝體系表現(xiàn)出的特異理化性能，使其在新能源等領(lǐng)域顯示出了良好的應(yīng)用前景。Chen等利用超聲自組裝法成功制備了還原氧化石墨烯-MnO2空心球復合材料[34]，Zhu等利用靜電自組裝制備了石墨烯包覆蜂窩狀MnO2納米球[35]。但是，由于石墨烯不可避免地發(fā)生再堆疊以及MnO2與之界面只是物理作用力結(jié)合，導致二者的電容性能并不是很理想。因此，目前設(shè)計和制備具有顯著協(xié)同效應(yīng)和良好界面結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)并不容易實現(xiàn)。本研究組利用不同種類結(jié)構(gòu)單元之間的協(xié)同效應(yīng)及其界面耦合作用增強復合材料的電化學性能，借助高錳酸鉀溶液的強氧化性與固液界面的化學反應(yīng)速率控制，組裝了具有特定結(jié)構(gòu)的rGO/CNTs/MnO2等三維復合材料體系。為進一步提高氧化錳材料的大電流充放電能力，本研究組提出了通過在還原氧化石墨納米片表面生長碳納米管，構(gòu)建氧化錳電子快速傳遞三維網(wǎng)絡(luò)通道。基于CVD法在還原氧化石墨納米片表面控制生長碳納米管，有效避免了還原氧化石墨的再堆積，利用高錳酸鉀溶液的強氧化性實現(xiàn)超薄氧化錳納米片在碳骨架表面的生長，制備得到rGO/CNTs/MnO2三元納米雜化材料（圖3a）[36]。作為超級電容器電極材料時，在60A•g-1的大電流密度下，比電容量仍保持222F•g-1，明顯高于單一組分的氧化錳超薄納米片（僅52F•g-1）。基于上述研究工作，研究者進一步利用高錳酸鉀強的氧化性在氫氧化鎳（Ni(OH)2）納米線和聚苯胺（PANI）納米纖維表面構(gòu)筑固-液反應(yīng)界面，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、攪拌速率等控制其反應(yīng)和擴散速率，從而控制氧化錳在固體表面的成核生長，實現(xiàn)了超薄二氧化錳納米片均勻生長在Ni(OH)2納米線[37]，以及超細二氧化錳納米顆粒負載在導電PANI納米纖維（圖3b-c）[38]，長時間超聲測試后復合材料結(jié)構(gòu)保持完整，其界面結(jié)合牢固。電化學測試結(jié)果表明復合材料的電化學性能明顯優(yōu)于單一組分，各組分之間表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應(yīng)。

4結(jié)論