《能源功能材料设计实验》课程教学大纲

《能源功能材料设计实验》教学大纲一、课程基本信息课程名称能源功能材料设计实验DesigningExperimentofEnergyFunctionalMaterials课程编码MAT422021020开课院部材料科学与工程学院课程团队能源功能材料设计实验学分2.0课内学时48讲授0实验48上机0实践0课外学时0适用专业材料化学授课语言中文先修课程课程简介（限选）本课程是材料化学专业的一门选修实验课程，课程的核心内容是能源功能材料的制备、性能指标的本质和测试方法、各性能指标间的关系、影响性能的因素、提高性能的途径等。通过材料的制备和性能测试，了解能源功能材料应用领域、激发学习兴趣、提高实践能力。涉及到的实验项目主要包括碳基超级电容器的组装及性能测试、界面聚合法制备纳滤复合膜及其分离性能研究、异质结高效光解水催化剂设计研究、透明柔性自修复导电薄膜制备与表征、卟啉基纳米复合碳材料的设计制备及其电催化性质研究、高效电催化析氢材料的设计研究、锂离子扣式电池制作及其电化学容量的测定和金属有机框架物的制备及染料吸附性能研究等。开设本实验课程的目的是把课堂讲授的能源功能材料理论知识与材料合成、表征和性能指标检测技术有机地结合起来，培养学生的创新理念，为材料化学专业的学生今后从事相关材料的合成、检测、研发和管理奠定基础。Thiscourseisanelectiveexperimentalcourseformaterialschemistry.Thecorecontentofthecourseisthepreparationofenergyfunctionalmaterials,thenatureandtestmethodsofperformance,therelationshipbetweenvariousperformanceindicators,factorsaffectingperformance,andapproachtoimproveperformance,etc.Throughthepreparationandperformancetestingofmaterials,understandtheapplicationfieldsofenergyfunctionalmaterials,stimulatelearninginterest,andimprovepracticalability.Theexperimentalprojectsinvolvedmainlyincludeassemblyandperformancetestingofcarbon-basedsupercapacitors,preparationandcharacterizationoftransparentflexibleself-repairingconductivefilmanddesignofhighefficientelectrocatalyticmaterialsforhydrogenevolution,designandpreparationofporphyrin-basednanocompositecarbonmaterialsandthestudyoftheirelectrocatalyticproperties,fabricationoflithium-ionbuttoncellandmeasurementofitselectrochemicalcapacityandmetal-organicframeworkpreparationanddyeadsorptionperformanceresearch.Thepurposeofthisexperimentalcourseistoorganicallycombinethetheoreticalknowledgeofenergyfunctionalmaterialstaughtintheclassroomwiththetechnologyofmaterialsynthesis,characterizationandperformance,tocultivatestudents'innovativeideas,laythefoundationforthesynthesis,testing,R&Dandmanagementofrelatedmaterials.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：能够设计与材料结构/性能相关的分析、测试、检验等实验，对能源功能材料相关的科学问题进行研究，并通过信息综合得到合理有效的结论.是4.24.22M2目标2：能够理解团队中每个成员的职责，独立完成团队分配的任务，合作开展工作。是7.27.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1实验1实验1碳基超级电容器的组装及性能测试实验内容：本实验包括碳基超级电容器的组装和电化学性能测试两部分。将电极材料商业活性碳YP-50，导电炭黑和粘结剂聚四氟乙烯以75：20：5的比例混合，经分散、干燥等工艺制备电极浆料，并以泡沫镍为集流体，制备面负载量为2mgcm-2左右的超级电容器单电极，最终组装水系碳基对称超级电容器。电化学性能测试主要包括循环伏安曲线测试、恒流充放电测试、倍率性能测试、阻抗测试等。该实验目的主要拓展学生对于碳基超级电容器的制备流程认知，以及掌握储能器件电化学性能的常规评价参数，采用理论与实践相结合的方式，深刻了解材料结构与性能之间的构效关系。M1,M26实验6撰写实验报告2实验2实验2界面聚合法制备纳滤复合膜及其分离性能研究实验内容：通过文献调研熟悉界面聚合法制备纳滤膜材料的基本操作步骤、影响因素，掌握水相和油相单体种类对复合膜结构与分离性能的影响，纳滤膜材料的表征及测试方法。分小组采用不同的单体制备纳滤复合膜，并考察不同分离操作条件下复合膜的分离性能（纯水通量和盐的截留率），确定活性单体种类对膜结构与分离性能的影响。M1,M26实验6撰写实验报告3实验3实验3异质结高效光解水催化剂设计研究实验内容：基于能带理论选择合适的催化剂，然后通过化学法合成异质结半导体，进行光解水催化性能表征。M1,M26实验6撰写实验报告4实验4实验4透明柔性自修复导电薄膜制备与表征实验内容：首先合成纳米金属线并铺膜，然后制备自修复聚合物预聚体，最后将交联剂与预聚体混合制备透明柔性自修复薄膜并且与纳米金属线膜复合。测试膜的导电性能和自修复性能。实验过程涉及基础实验技能(无机合成、高分子合成)、常规材料表征技术（红外光谱、紫外光谱、核磁共振）和文献检索总结的训练。M1,M26实验6撰写实验报告5实验5实验5卟啉基纳米复合碳材料的设计制备及其电催化性质研究实验内容：基于活性位点有效保护策略选择合适的金属卟啉前驱体，然后通过化学法制备啉基纳米复合碳材料，对材料的结构形貌进行保证，然后进行燃料电池及Zn-air电池阴极催化性能测试，最终建立结构-性能关系。M1,M26实验6撰写实验报告6实验6实验6高效电催化析氢材料的设计研究实验内容：基于火山曲线关系选择合适的电催化剂，然后通过化学法合成催化剂，最后进行电催化析氢性能表征。M1,M26实验6撰写实验报告7实验7实验7锂离子扣式电池制作及其电化学容量的测定实验内容：本实验包括扣式电池的制作和电化学性能的测试两部分。扣式电池的制作具体包括电极浆料的配置、电极片的制作、隔膜的切片、扣式电池的组装、惰性气氛手套箱的使用等部分。电化学性能的测试具体包括电化学工作站的使用、循环伏安曲线的测定、恒流充放电曲线的测定等。通过本实验，可以让同学们初步掌握锂离子扣式电池的制作以及电化学容量的测定方法。M1,M26实验6撰写实验报告8实验8实验8金属有机框架材料的制备及其染料分子吸附性能研究实验内容：通过自己分析确定可行制备路线合成金属有机框架物材料并对其表征，最后应用其进行染料分子的吸附分离。实验将不提供固定的合成配方，需要学生通过文献检索，基于所给药品总结出可行的方案。实验过程涉及基础实验技能(无机合成、固液分离、孔材料活化)、常规材料表征技术（红外光谱、紫外光谱、分光光度法）和文献检索总结的训练。不同小组制备不同的金属有机框架物材料用于染料分子的吸附分离，通过分光光度法确定吸附分离的效果。通过不同材料所得的不同吸附效果，对比分析材料组成结构对性能的影响。M1,M26实验6撰写实验报告四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1实验预习1.是否完成预习报告。2.是否掌握实验方法、步骤及要求。20%2实验操作1.是否认真参加实验操作，掌握实验仪器操作。2.是否对实验现象进行认真观察和记录。3.小组合作实验中，团队分数占操作分数的3/5，小组各成员独立分数占2/5。30%3实验报告1.是否实验报告按时完成，格式图表规范。2.是否实验数据可靠，结果分析准确，提出自己的想法。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1实验预习20%A-实验前认真预习，熟练掌握实验方法、步骤及要求。B-实验前基本能有预习，基本掌握实验方法、步骤及要求，实验时不需要讲义也能完成。C-实验前偶尔预习，对实验方法、步骤及要求不太掌握，实验时根据讲义才能完成。D-实验前基本没有预习，对实验方法、步骤及要求没有掌握，实验时根据讲义也难以完成。2M1实验操作30%A-认真参加实验操作，可独立操作实验仪器，认真观察详细记录实验现象。B-认真参加实验操作，按照说明书可操作实验仪器，观察记录实验现象。C-参加实验操作，按照说明书可基本操作实验仪器，观察记录部分实验现象。D-不参加实验操作，不操作实验仪器，不观察记录实验现象。3M1实验报告50%A-认真完成实验报告，格式图表规范整洁，实验数据可靠，结果分析准确，有独到的见解。B-较为认真完成实验报告，格式图表比较规范，实验数据可靠，结果分析基本准确。C-实验报告能按时完成，格式图表不太规范，实验数据可靠，但结果分析不准确。D-实验报告不按时完成，格式图表不规范，实验数据不可靠，结果分析不准确。4M2实验预习20%A-实验前认真预习，熟练掌握实验方法、步骤及要求。B-实验前基本能有预习，基本掌握实验方法、步骤及要求，实验时不需要讲义也能完成。C-实验前偶尔预习，对实验方法、步骤及要求不太掌握，实验时根据讲义才能完成。D-实验前基本没有预习，对实验方法、步骤及要求没有掌握，实验时根据讲义也难以完成。5M2实验操作30%A-认真参加实验操作，可独立操作实验仪器，认真观察详细记录实验现象。B-认真参加实验操作，按照说明书可操作实验仪器，观察记录实验现象。C-参加实验操作，按照说明书可基本操作实验仪器，观察记录部分实验现象。D-不参加实验操作，不操作实验仪器，不观察记录实验现象。6M2实验报告50%A-认真完成实验报告，格式图表规范整洁，实验数据可靠，结果分析准确，有独到的见解。B-较为认真完成实验报告，格式图表比较规范，实验数据可靠，结果分析基本准确。C-实验报告能按时完成，格式图表不太规范，实验数据可靠，但结果分析不准确。D-实验报告不按时完成，格式图表不规范，实验数据不可靠，结果分析不准确。评分等级说明：[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59]六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书|材料结构表征及应用,吴刚,化学工业出版社,2019,ISBN:9787502533403.2图书|金属-有机框架材料,陈小明,化学工业出版社,2017,ISBN:9787122292803.3图书|膜分离技术基础,王湛,化学工业出版社,2019,ISBN:9787122328076.七、实验项目信息序号项目名称实验室名称门牌号组人数学时实验类别要求实验类型上机1碳基超级电容器的组装及性能测试能源功能材料实验室56专业必做设计性否2