高中化学课程与大学化学教学衔接研究 论文

高中化学课程与大学化学教学衔接研究—以半导体光催化技术为例

—摘要：在日常教学中，我们需要做好高中、大学化学内容教学衔接工作，在高中

课程内容的基础上适当提升，换一个角度理解，能够让学生更好的掌握高中化学核心知识。本文以半导体光催化技术为例，简谈高中化学课程与大学化学教学衔接问题。

关键词：光催化，氧化还原，电化学原理引言：化学学科发展日新月异，高考中往往也选取工业生产和化学基础研究最新

成果为载体，考查学生的基础知识与创新能力。高考作为高中教学的“指挥棒”，对高中化学教学有着引领作用。高中化学教作为基础教育的一部分，着重培养学生化学核心

素养，并为大学学习打下基础。在课本知识学习过程中，高中学生由于知识储备量有限，对知识点存疑时往往采取

死记硬背的方法，这不利于学生学科素养的发展。同时，学生在遇到科技前沿等陌生情境为载体的题目时往往感到不适应，就算是机理十分简单的题目有时会直接放弃作答，

因而达不到以习题巩固学科知识的效果。面对以上情况，我们发现简单引入大学基础概念，以高中化学的角度加以阐释，能够更好地帮助学生理解高中化学核心知识、应用高

中化学内容、拓展科学视野，并为大学学科学习打下一定基础。我们以高中化学教学与半导体光催化技术的衔接为例。

一、半导体光催化技术简介[1]

972

年，日本科学家

Fujishima、Honda

等

发现太阳光照射下的

n-TiO

电极能够21催化裂解水获取氢能。这一研究虽未达到实用化水平，但成功取得了由光能转化为化学

能的突破性进展。此后的近五十年间，基于

TiO

光催化技术的研究多见诸于报道，包2[1]

[2][3][4]

[5]括光解水产氢、水污染与大气污染治理

、染料敏化太阳能电池

、二氧化碳还原

、

[6]固氮等各个方面。随着研究的深入，其他半导体光催化剂也开始渐渐进入人们的视野，

半导体光催化技术开始迅猛发展。1

根据能带理论，半导体的价带(valenceband,VB)和导带(conductionband,CB)之间的不连续区域被称作禁带，禁带宽度标记为

E

。E

可以通过式

1

进行计算，其中

ECB

gg与

E

分别为半导体导带底与价带顶处对应的能量值。

VBE=

ECB

-

EVB

g式1

-TiO

的禁带带宽为

3.2eV，如图

1，因此

TiO

价带上的电子（e

）可以被波长小于

387

22+nm

的紫外光激发跃迁到导带，同时在价带留下一些空的量子状态，即空穴（h

）。这

-+一过程即光生电子-空穴对的分离（式

2）。分离的

e

和

h

会向

TiO

表面迁移，其中大

2部分会在途中发生复合，以光和热的形式放出能量（式3）。小部分未发生复合的e-

+-和

h

在迁移至

TiO

表面后，会与表面吸附的电子给体或电子受体反应。e

具有还原能

2-力，可以被

TiO

表面吸附的

O

捕获，生成超氧负离子（•O

），通过一系列反应进一

222+步反应生成双氧水（HO

）与强氧化性的羟基自由基（•OH），如式

4

至

8。由于

h

具

22-有一定的氧化能力，能够氧化

TiO

表面吸附的氢氧根离子（OH

）或水，产生•OH，如

2式

9

和式

10。而以上过程中产生的各类活性物种也能直接与

TiO

表面吸附的有机物发

2生氧化还原反应，最终将有机物分解为

CO

和

H

O

等小分子。

22图

1

紫外光下

TiO

光催化机理示意图

2TiO

在紫外光(

λ

≤

387

nm)的激发下形成电子-空穴对：

2TiO+

hv

→

TiO

(e+

h+)

−式2

式3式4

22光生电子-空穴对的复合：

+e−

+

h

→

energy

光生电子与电子受体反应，生成强氧化性物种：e−

+

O

→

•O2-

22

•O2-

+

H

O

→

•OOH+

OH-

式5式6

式7式8

22•OOH

→

O

+

H

O2

22e−

+

•OOH+H

O

→

H

O

+

OH-

222e−

+

H

O

→

•OH

+

OH-

22光生空穴与电子给体反应，生成羟基自由基：

-+OH+

h

→

•OH

式9HO

+h

→

•OH+

H+

+式10

2二、以半导体光催化技术解决高中教学问题实例

1．帮助理解化学核心知识点

在人教版（2019）高中化学必修二有关硅单质的教学过程中，学生能够认识到硅单质具有特殊的电学性质，但是也常常提出疑问：为什么硅单质可以用作太阳能电池？实

际上，学生经常将制作太阳能电池的材料误认为是二氧化硅，原因是二氧化硅常用作光导纤维，而光导纤维和太阳能电池都是与光学性能相关的用途。出现这一问题，究其原

因是学生对于无机硅材料的相关内容往往是死记硬背，或是由于对材料本身的性质并不清楚，错误的地运用“性质决定用途”导致的。

在实际教学过程中，我们可以对硅材料的应用进行适当拓展，利用简单的半导体知识解开学生思维上的“结”，让学生了解硅材料的用途，同时整理清楚为什么可以如此

运用硅材料，减少学习过程中死记硬背的现象。实际上，硅单质作为半导体材料，可以用于制作太阳能电池的原理是由于光电效应。这一过程正是半导体光催化原理中电子吸

收光能发生跃迁，将光能转化为电能的过程。这一机理对于高中学生而言很容易接受，可以很好地促进学生对于高中化学知识点的理解。

2．为部分基于科学前沿的陌生情境为载体的题目提供思路

我们可以把复杂的半导体光催化原理简化为电化学过程，即氧化剂与还原剂分别在光催化剂表面的微电极上发生电极反应。将半导体光催化与氧化还原过程、电化学反应

联系起来，一方面能帮助理解光催化这一复杂过程，另一方面也能进一步将强学生对氧化还原和电化学的理解。

下题是学生在考试中遇到的一道问题，考后答疑时，由于对光催化这一技术的陌生，3

学生普遍对该题的机理心存疑惑，不知如何作答。例

1】BMO（Bi

MoO

）是一种高效光催化剂，可用于光催化降解苯酚，原理如

【26图所示。下列说法不正确的是（）

A．该过程的总反应：CHO+7O26CO+3HO

2266B．该过程中BMO表现较强还原性

C．光催化降解过程中，光能转化为化学能、热能等D．①和②中被降解的苯酚的物质的量之比为1:3

我们尝试将其与半导体光催化过程相联系，将该过程看做氧气与苯酚分别在

BMO+表面的微电极上发生电极反应，将题中的

BMO

直接看作具有氧化性的光生空穴。因此

可以将过程②看做苯酚直接被光生空穴氧化的过程，根据式3，1mol光生空穴参与反应，苯酚需提供电子1mol。而在过程①中，根据式4，1mol

氧气得1mol

电子生成超氧自

由基，其参与反应时苯酚需提供电子3mol。因此①和②中被降解的苯酚的物质的量之比为3:1，D选项不正确。

【例

2】中山大学化学科研团队首次将

CsPbBr

纳米晶锚定在氨基化

RGO

包覆的

α-

3FeO

(α-FeO/Amine-RGO/CsPbBr)，构筑

Z-Scheme

异质结光催化剂，可有效降低电荷

23233复合，促进电荷分离，从而提升光催化性能。光催化还原

CO

和氧化

H

O

的反应路径

22如图。下列说法正确的是（）

A．该路径能量转化形式为电能→化学能4

B．该光催化转化反应可以阻止温室效应C．“CsPbBr纳米晶”表面发生了还原反应

3D．该催化转化的总反应涉及到非极性共价键、极性共价键的断裂和形成

本题所给的图示正是一个简单的光催化机理图。在日常教学中，完全可以以此题为例，将复杂的半导体光催化技术转化为简单的氧化还原问题加以介绍。既消除了学生对

陌生情景的紧张感，又加深了学生对氧化还原问题的理解，还为大学中进一步学习半导体光催化技术打下基础。

结合氧化还原知识，我们可以把题目中

α-Fe

O/Amine-RGO/CsPbBr

光催化还原233CO

和氧化

H

O

的过程简化为以下几步：

22（1）在光的作用下，α-FeO

价带上的电子吸收能量跃迁至导带，光生电子与空穴

23发生分离。具有氧化性的光生空穴留在

α-Fe

O

上，而光生电子跃迁后迅速转移到

Amine-

23RGO表面。

+2）α-FeO

上的光生空穴氧化水，生成

H

和

O

。

23

2（HO

+4h

→

O

+

4H+

+式11

222（（3）Amine-RGO

表面的光生电子再次转移，至

CsPbBr

表面。

34）CsPbBr

表面的光生电子在跃迁至导带后，还原

CO

，生成

CO

与

CH

。

324-+CO+

2e

+

2H

→

CO+H

O

式12式13

22-+CO+

8e

+

8H

→

CH

+

2H

O

242三、关于高中化学课程与大学化学课程衔接的思考

高中化学内容较为基础，旨在培养学生的核心素养，而大学化学内容更为深奥、专业。我们希望能在高中日常教学中，以高中的知识水平简单理解大学化学中的简单内容，

做好过渡工作。既帮助学生提高现有知识的理解程度，又期待学生能更好地适应大学更为专业的化学学习。半导体光催化技术作为现在科学领域的一大研究热点，其原理并不

难理解，不失为帮助学生开拓视野，多角度思考高中化学知识点的一个方向。做好高中化学课程与大学化学的教学衔接工作并不是向学生简单的灌输大学化学

知识，教师应以高中生的视角再看大学化学知识，提炼化学学科思想，简化核心知识点并与高中化学内容相融合后再体现在高中教学过程中。其中关键在于把握好教学的

“度”，不能盲目地拔高知识点难度，这也对教师提出了更高的要求。

在今后的教学过程中，我们还应继续思考，如何帮助学生更好地从掌握高中知识到5

在高校学习中建立大学化学思想，迈过由易到难的“坎”。参考文献

[1]Fujishima,A.andHonda,K.ElectrochemicalPhotolysisofWaterataSemiconductorElectrode.

Nature,1972(238):37-38.2]CareyJH,LawrenceJ,TisineHM.PhotodechlorinationofPCB’sinthepresenceoftitanium

dioxideinaquenoussuspension[J].Bull.Environ.Contam.Toxicol.1976(16):697-701.[[3]

吕鲲,

张庆竹：纳米二氧化钛光催化技术与大气污染治理[J].

中国环境科学,

2018(3):

852-

8261.

[4]