绿色化学理念融入化工专业多相催化课程教学的探索与实践.pdf

在“双碳”战略背景下，强化绿色化学教育，成为高等学校化工专业人才培养工作的重要任务之一。在化工专业多相催化课程教学中，为每一章节安排“绿色课时”，讲解与该章节内容相关的绿色化学理论与技术，将绿色化学理念融入课程教学中，不仅能使学生牢固掌握化工专业知识，而且能使学生加深对绿色化学的认识，同时能提高学生利用绿色化学理论与技术解决化工专业问题的能力。这对于培养既具有扎实化工基础又具有绿色化学理念的综合性化工专业人才具有重要意义。【关键词绿色化学；教学模式；化工专业Exploration and Practice on Integrating Green ChemistryConcept into the Teaching of Heterogeneous CatalysisCurriculum for Chemical Engineering MajorPan Yunxiang,Bai Zhishan,Peng Chong.3，4(1.Department of Chemical Engineering,School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.School of Mechanical andPower Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;3.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;4.Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals,SINOPEC,Dalian116045,Liaoning,China)Abstract:Under the influence of the Carbon Peak and Carbon Neutrality Goal,strengthening theeducation on green chemistry has become one of the important tasks in cultivating chemical engineeringtalents in universities.In the teaching of the HeterogeneousCatalysis curriculum for chemical作者简介潘云翔（1 9 8 1-），男，研究员。通信作者彭冲，E-mail:。121潘云翔，等.绿色化学理念融，独人化工专业多相催化课程教学的探索与实践engineering major,a Green Class Hour for each chapter of the curriculum were arranged to integratethe green chemistry concept,and explain the green chemistry theory and technology related to thecontent of the chapter.This could make students firmly grasp the knowledge of both chemical engineeringand green chemistry,and improve students ability to solve the problems of chemical engineering by usinggreen chemistry theory and technology.This is of great significance for cultivating chemical engineeringtalents with both chemical engineering theories and green chemistry concepts.Key words:Green chemistry;Teaching mode;Chemical engineering“碳达峰”与“碳中和”已上升至国家重大战略层面，是国家“十四五”规划的关键目标。化工产业是国民经济支柱产业，是推动经济社会发展的重要动力，然而化工产业排放的大量二氧化碳导致了严重的环境污染 1-4 。“CO。排放大户”“环境污染大户”几乎成了化工产业的代名词。在此背景下，化工产业结构调整和优化升级被认为是决定能否实现“双碳”目标的关键因素之一，降低或消除化工产业的CO，以及其他污染物的排放，成为化工基础科研人员和工程技术人员面临的巨大挑战，解决这一难题需要绿色化学理论和技术的支撑。因此，化工产业对于既精通化工专业知识又掌握绿色化学理论与技术的综合型人才的需求与日俱增。在这样的背景下，加大力度开展绿色化学教育，成为高校化工专业各个层次人才培养工作的重要任务之一。一、绿色化学的内涵及绿色化学课程现状绿色化学理念主要涉及减少或消除有毒有害物质和过程的产生以及所使用的理论和技术方面的知识 5-9 。绿色化学理论与技术应紧密围绕十二条原则：从源头防止污染产生优于污染物产生后再治理；提高原子经济性使得参加反应的原子尽量多的进人目标产物；化学合成过程中不使用和不产生有毒有害物质；设计的化学产品应在具有出色功效的同时无毒或毒性很低；减少或消除有毒有害溶剂、助剂和试剂等的使用；合理使用能源，提高能源利用率，合成和生产过程应在常温、常压等温和条件下进行，能耗越低越好；最大限度地使用生物质等可再生的原料；最大限度地减少或消除基团的保护、物理和化学修饰等不必要的衍生过程和步骤；使用高活性和高选择性的催化剂；化学产品应设计成为在发挥完其功能后可以降解成无毒无害的物质；发展分析和监测技术与方法，实时在线监测污染物，控制或消除污染物形成；减少或消除使用易燃易爆物质，降低或消除爆炸和着火等事故的发生 5-9 。这十二条原则是绿色化学理念的核心内容，也是绿色化学相关课程的核心教学内容。绿色化学十二条原则涵盖了化工产业的原料、工艺、技术、产品、助剂、溶剂、催化剂等从源头到终端的每个环节和要素，是建立绿色化工产业的关键。化工学科的基础理论是有关物质转化过程中的物质传递、热量传递、能量传递、物质反应以及这些方面之间的匹配与作用机制，即“三传一反”理论 1。化工原理、化工热力学和反应工程等化工专业课程的教学普遍以“三传一反”理论为核心。化工专业基础课程对于学生认识和掌握化工学科的特点、规律、理论和技术至关重要，是培养化工专业人才不可或缺的关键课程。然而，在“双碳”目标以及新材料和新能源快速发展等因素的共同影响下，化工专业面临课程内容调整和升级的挑战。围绕绿色化学理论与技术，向学生讲授清洁能源、纳米材料、环境化学、清洁生产等与污染物预防与治理、清洁能源合成与应用、绿色可持续发展相关的知识非常必要。单独开设绿色化学、清洁能源、纳米材料、环境化学、清洁生产等课程，可以使学生了解和掌握绿色化学知识，但也带来一系列的问题。第一，这些课程之间以及这些课程与化工专业课程之间相互独立，会增加学生的学习负担，而学生也较难了解这些课程与化工专业课程的联系，因而无法实现知识的融会贯通，不能真正掌握绿色化学理论与技术，同时也不能122潘云翔，等.绿色化学理念融人化工专业多相催化课程教学的探索与实践有效提升利用绿色化学理论与技术解决化工专业问题的能力。第二，这些课程与化工专业课程的教学内容部分重合，知识的重复讲解浪费了有限的课时。第三，这些课程普遍采用老师讲、学生听的教学方式，这不易调动学生的积极性和主动性，无法使学生深刻认识绿色化学对化工产业的重要意义。第四，绿色化学理论与技术发展非常迅速，但课程内容更新不够及时，无法使学生学习和掌握最新的知识。二、融合绿色化学理念的多相催化课程教学为了应对上述问题，我们将绿色化学理念融人多相催化课程教学中。该课程是面向化工专业的硕士生和博士生开设的基础专业课，同时供环境、材料、机械等专业的硕士生和博士生选修。根据化工专业学生和多相催化课程的特点，我们构建了涵盖绿色化学内容的多相催化课程教学模式，如图1 所示。我们在课程教学中专门设置“绿色课时”，并组织学生讲解、鼓励学生提问、促进学生反馈，引导学生积极主动学习，使学生在牢固掌握化工专业知识的同时，深刻理解绿色化学理论与技术，提升学生综合运用化工专业知识与绿色化学理论和技术设计开发新原料、新材料、新工艺、新设备、新能源的能力，进而解决化工产业碳排放量大、污染严重等问题。多相催化课程优化学生讲解优化工课时绿色课时学生提问化+化工专业知识绿色化学理论学生反馈学生评价与反馈综合性化工专业人才图1涵盖绿色化学内容的多相催化课程教学模式(一）绿色课时多相催化课程教学每周安排一次，每次课为3课时。其中，前面2 课时为“化工课时”，用来讲解化工专业知识；后面1 课时为“绿色课时”，用来讲解和讨论与化工专业知识相关的绿色化学理论与技术。“绿色课时”教学以学生为主体，分为课堂教学和课下作业两部分，如图2 所示。其中，课堂教学时间为4 5分钟，包括2 5分钟的学生讲解和2 0 分钟的学生提问；课下作业为“学生反馈”，要求学生将学习效果、存在的问题和改进方案等以作业的形式及时反馈。教师需要对学生的作业进行细致分析，并基于学生的意见和建议及时调整和优化教学。下面以多相催化课程的“CO，催化加氢反应”章节为例，详细介绍“绿色课时”各个环节的教学。绿色课时课堂教学（4 5分钟）学生讲解（2 5分钟）将学生分为三组，每组成员协教学内容作制作6 8 分钟的PPT，并选派是否满足绿色化学的要求一名学生进行讲解如何满足绿色化学的要求优现有绿色化学技术的不足化最新绿色化学技术与应用学生提问（2 0 分钟）针对每组的PPT和讲解，其他组学生提问，由制作PPT的组回答，老师对问题和答案进行点评课下作业作业内容绿色课时的学习效果学生反馈绿色课时存在的问题绿色课时的改进方案学生作业老师分析综合性化工专业人才图2“绿色课时”的教学思路与内容“CO，催化加氢反应”是多相催化课程的重要章节之一，主要包含CO2催化加氢反应的特点与机制、催化材料、反应装置、工艺流程等内容。CO催化加氢反应是捕集与利用CO2的有效途径之一，既可减少CO，排放，又可将CO，转化成为甲醇等高附加值化学产品，这对实现“双碳”目标具有极其重要的意义，是国内外化工、化学、材料、能源等相关领域的科研前沿热点之一1 0-1 。然而，现阶段CO2催化加氢反应的CO2转化率和目标产物选择性与大规模工业应用的要求仍有非常大的差距1 0-1 1 。为此，国内外研究人员开展了大量研究工作，设计并开发出了成千上万种催化材料、反应装置和工艺流程等 1 0-1 。然而，这些研究普遍追求提升CO2转化率和目标产物的123潘云翔，等.绿色化学理念融人化工专业多相催化课程教学的探索与实践选择性，却忽略了反应原料、操作条件、催化材料、反应装置、工艺流程等方面是否满足绿色化学十二条原则。提升CO2转化率和目标产物选择性的目的是加速CO2催化加氢反应的大规模工业应用，进而减少CO，排放，解决环境问题，实现绿色可持续发展，但如果反应过程的多个环节无法满足绿色化学十二条原则，那么其应用是得不偿失的。按照多相催化课程的教学大纲，我们在“CO，催化加氢反应”这一章节共设置3 课时，其中前面2 课时用来讲解CO2催化加氢反应的特点与机制、催化材料、反应装置、工艺流程等内容，后面1 课时用于讨论。同时，为了将绿色化学理论与技术融人该章节的教学中，我们将原本用于讨论的课时调整为“绿色课时”，组织学生学习和讨论与CO2催化加氢反应相关的绿色化学理论与技术。(二)学生讲解每次课程的专业知识教学结束后，我们会给出下次要讲的化工专业知识，并要求学生提前预习。我们把学生分为三组（每组1 0 人左右），要求每个小组利用课下时间阅读文献并查找资料，围绕下次课的知识制作有关绿色化学理论与技术的PPT，并选派一名学生在“绿色课时”向老师和其他同学进行讲解（6 8 分钟）。“绿色课时”共4 5分钟。前2 5分钟为学生讲解环节，由每组选派一名学生讲解本组制作的PPT。三个小组依次讲解完之后，老师和学生共同分析，找出所讲解内容的共性关键点，并针对以下问题进行总结：化工过程或化工单元操作是否满足绿色化学十二条原则？哪些环节不满足绿色化学十二条原则？如何使其满足绿色化学十二条原则？与之相关的绿色化学理论与技术的研究现状、存在问题和最新成果是什么？如在“CO，催化加氢反应”章节的教学中，师生双方在学生讲解环节总结了现阶段CO2催化加氢反应不符合绿色化学十二条原则的四个主要环节。第一，反应原料环节不满足绿色化学十二条原则。现阶段CO，催化加氢反应使用氢气 1 0-1,较低的CO，转化率和目标产物选择性造成大量无效的氢气被消耗，而氢气的生产是一个高能耗、高污染的过程，生产1 吨氢气需消耗3 5吨标煤、产生8 1 3 吨CO2。第二，反应产物环节不满足绿色化学十二条原则，特别是不符合原子经济性要求。现阶段CO催化加氢反应的产物选择性差 1 0-1 ，所得产物往往包含甲醇、甲酸、甲烷、CO等多种成分。第三，催化材料的合成环节不满足绿色化学十二条原则。现阶段CO2催化加氢反应的催化材料普遍通过高温焙烧、高温氢气还原、高温水热等高温甚至是高压过程制备 1-1 1，这些过程能耗高、CO，排放高。第四，反应的操作条件不满足绿色化学十二条原则。现阶段CO2催化加氢反应以热催化的形式为主 1 0 1 1，采用加热的方式为反应提供能量，通常需要2 0 0 以上的高温。此外，为了提高目标产物选择性，反应往往需要在2 MPa以上的压强下进行，所以以H,O为CO2催化加氢反应的氢源、开发高活性和高选择性的催化材料、开发新型反应装置、开发高效太阳能驱动光催化COz加氢技术等均可使CO2催化加氢反应满足绿色化学十二条原则。在学生讲解环节，每个小组的学生分工合作，有的负责查找文献和资料，为制作PPT提供素材；有的负责和参与制作PPT；有的作为主讲人进行讲解。这样的方式能够让所有学生都参与其中，进而更好地学习绿色化学有关知识。（三)学生提问在学生讲解环节结束后，其他组的学生可以针对讲解内容进行提问，由负责小组来回答。老师对学生提出的问题和给出的答案进行点评。学生提问环节基于讲解的内容展开，但可以进行知识拓展。仍以“CO2催化加氢反应”章节的教学为例。有学生提出以下几个问题：不满足绿色化学十二条原则的环节中，哪一个是决定性的？改进CO催化加氢反应的策略中，哪一个是最容易实现大规模工业应用的？太阳能发电和水力发电等新能源和新技术是否可以应用在CO2催化加氢反应中？前两个问题是就学生讲解的内容提出的，而第三个问题则是在讲解内容的基础上进行的拓展。还有学生提出了以下问题：太阳能光催124潘云翔，等.绿色化学理念融人化工专业多相催化课程教学的探索与实践化CO2加氢反应效率低的原因是什么？自然界植物光合作用转化CO，的效率为什么非常高（接近1 0 0%）？是否有更为满足绿色化学十二条原则的CO，催化转化反应可以代替CO2催化加氢反应？同样，前两个问题是基于学生的讲解内容提出的，第三个问题是在讲解内容的基础上进行的拓展。针对学生所提出的问题，师生双方在课堂上通过讨论和交流予以解答。如果课堂上无法找到师生双方都满意的答案，学生还可以在课下查阅相关文献，并通过邮件、微信、电话等方式继续讨论和交流。该环节进一步调动了学生的积极性和主动性，加深了学生对绿色化学理论与技术的理解，提升了学生综合利用化工专业知识和绿色化学理论与技术解决实际问题的能力。（四）学生反馈学生讲解和学生提问环节结束之后，我们要求学生课下以作业的形式针对“绿色课时”教学的形式和内容进行反馈，总结学习效果、存在的问题并提出改进措施。老师根据学生提出的意见和建议，及时进行教学调整和优化。如针对“CO，催化加氢反应”章节的教学，学生认为通过讲解、提问、讨论和解答等环节，既加深了对CO催化加氢反应的认识，又学习和掌握了绿色化学理论与技术。还有学生反馈，通过课堂讨论和交流，找到了解决科研难题的新思路和新方法。学生也对“绿色课时”的教学提出了非常有意义的建议，他们希望增加科普性内容以及实验和实践环节。根据学生的建议，我们在课堂教学中适当增加了视频演示、案例分析等环节，同时也积极融入与绿色化学相关的实验和实践环节，不断改进和优化“绿色课时”的教学形式和内容。(五)教学效果我们通过设置“绿色课时”，采用“学生讲解一学生提问学生反馈”的教学模式，以学生为主体，充分发挥学生的积极性和主动性，使学生在掌握化工专业知识的同时，深刻理解绿色化学理论与技术，提升学生综合利用化工专业知识以及绿色化学理论和技术解决实际问题的能力。教学取得了令人满意的效果。如我们针对多相催化课程的“等离子体催化”章节设置了“绿色课时”，使学生认识到低温等离子体技术具有室温操作、无污染和CO2排放、不使用有毒有害试剂和溶剂、工作效率高等优势，是满足绿色化学要求的构建高性能纳米催化材料的新技术；在此基础上，来自化工、仪器等专业的博士生、硕士生和本科生组成的团队利用低温等离子体技术构建了可用于高灵敏葡萄糖检测器件的高性能纳米催化材料，将器件检测葡萄糖的下限降至0.5M(人体的正常血糖浓度为3 6 mM)，显著提升了器件灵敏度。该研究成果获得了2 0 2 2 年“第二届全国大学生等离子体科技创新竞赛”二等奖。需要强调的是，我们为多相催化课程设置“绿色课时”，希望学生在掌握化工专业知识的基础上学习绿色化学理论与技术，因此，“绿色课时”的设置是以学生掌握化工专业知识为基础的，不会挤占化工专业知识的学习时间，其教学内容也需要科学、合理地安排。通过不断的探索和实践，我们发现多相催化课程的每一章节教学中安排一次“绿色课时”就会取得令学生满意的效果。多相催化课程是化工专业学生的专业基础课程，也有环境、机械、材料等专业的学生选修。针对学生的专业特点，我们与不同专业的老师积极沟通和交流，邀请他们参与“绿色课时”的教学。例如，在“环境催化”章节的教学中，我们邀请环境工程专业长期从事环境催化教学和研究的老师与学生共同探讨环境工程、催化科学、绿色化学之间的关系；在“催化反应装置”章节的教学中，我们邀请机械工程专业长期从事反应装置设计开发的老师与学生共同探讨机械工程、催化科学、绿色化学之间的关系。这样的教学有助于提升学生综合利用多学科知识解决实际工程问题的能力。此外，多相催化课程教学中融人绿色化学理念的做法，对于其他化工专业课程教学具有很好的借鉴意义。我们也在积极推进“绿色课时”在其他课程中的应用，在此过程中遇到了两方面的问题：一方面是课时问题，有些专业课程课时较少，若增加“绿色课时”，则教学安排需要重新考虑；另一125潘云翔，等.绿色化学理念融人化工专业多相催化课程教学的探索与实践方面是授课教师的问题，一些教师对绿色化学理论与技术了解得不够透彻，需加强自身的知识积累。今后，我们会根据学生、专业、课程的特点，对“绿色课时”的教学方式和内容进行优化和创新，促使学生掌握更多的知识和本领。三、结论在“双碳”目标背景下，化工行业面临结构调整和转型升级等多重挑战，急需大量具有绿色化学理念的化工专业人才。我们将绿色化学理论与技术融人化工专业多相催化课程教学中，针对课程的每一章节安排一次“绿色课时”，通过学生讲解、学生提问、学生反馈等环节，与学生讨论相关化工过程或化工单元操作是否满足绿色化学的要求，让学生了解与之相关的绿色化学理论与技术的研究现状、存在问题及最新成果等。通过这样的教学，学生不但牢固掌握了化工专业知识，而且加深了对绿色化学理论与技术的理解。“绿色课时”的设置对于提升学生综合利用化工专业基础知识和绿色化学理论与技术解决实际问题的能力起到了重要作用。（责任编辑：李丽妍）参考文献：1 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