金溶胶的丁达尔现象探究

北京市景山学校

作者：刘雨鑫

辅导教师：龚龑　张凯

项目简介

早在初三的化学课堂，我就接触到身边最为常见的丁达尔现象，即让一束光照射通过胶体时，可以看到一条光亮的通路，且此现象可以用于区别胶体与溶液，这是中考范围内唯一的考点，至于更深入的原理则让我们在高中、甚至是大学时再探究。直到高一时再次听到丁达尔效应，我才找到物理组学习光学知识，并且在看过大量文献后，将我对丁达尔现象实验的疑问和导师交流，并得到了支持，于是我开始“金溶胶的丁达尔现象实验——对中学化学实验的改进”的研究。实验中，我亲自制备了纳米金、纳米银溶胶，且利用光学显微镜、透射电镜观察制得纳米金颗粒大小，确保制得的酒红色的金溶胶能够为此后的丁达尔现象实验提供良好的胶体环境。在丁达尔现象实验中，我将课堂教学中单一的红色激光笔改为了多彩的色光（添加四种滤光镜），很惊奇的发现每次实验的现象都不尽相同，并且在入射色光颜色与溶胶颜色互为互补色时，丁达尔现象完全消失。为研究这个问题，我阅读了北大、化工等高校的教学教材，着手研究此现象与互补色的联系，并运用紫外光谱分析仪得到了纳米金溶胶的紫外吸收图，与人眼可见光波长及颜色的对比图相比较，弄清了丁达尔现象突然消失的根本原因：互补色在一定程度上相互吸收。由此，我把中学课堂中一个看似很简单的化学实验探明了现象实质，了解了它的制约条件，并为丁达尔效应的理解开创了一个新角度。

我们的创新之处有：1、改用酒红色纳米金溶胶之后，实验现象更有魅力，更鲜艳，吸引人。且稳定性好，可使用时间长。2、不仅仅可以研究丁达尓现象，还可以启发学生思考色彩的原理，色彩的光学知识。因此我们相信，可以将本次实验方法运用到中学教学演示、科学普及展示中。就在今年10月，我们实验室制备的纳米金溶胶、银溶胶“丁达尓现象”也正式成为中国科技馆科普展示项目，替代原有的氢氧化铁溶胶的演示。这不仅仅是对本次试验结果的肯定，也让我在推广教学这一方面迈出了第一步。

高比能硫/石墨烯-锂二次电池的研制

河北省石家庄市第二中学

作者：范仪群

辅导教师：王文肖

项目简介

摘要：研究了石墨烯、氧化石墨烯、硫/石墨烯复合材料的制备工艺，通过SEM、XRD、TEM等手段表征复合材料的结构和形貌。以硫/石墨烯复合材料作为正极，锂片为负极，LiTFSI/(DOL+DME)(1mol．L-1)为电解液，组装成硫/石墨烯-锂二次电池，研究了其比能量、充放电可逆性及循环寿命等电化学性能。结果表明：在0.3mA.cm-2放电电流密度下，电池首次放电比容量达1150mAh.g-1，循环20次后容量仍保持在800mAh.g-1以上。参加废旧电池回收活动，了解到传统电池含有大量的重金属、酸、碱等物质，进入环境后危害巨大。而废旧电池回收只是减少污染的手段之一，不能从根本上改变对环境的污染。研发可重复使用、无污染的环保电池引起我极大地兴趣，在老师的帮助下开始本课题的研究。

研究目的：研制新型高比能硫/石墨烯复合电极材料，制备硫/石墨烯-锂二次电池。通过实地调查、查阅文献，主要开展以下研究工作：①学习有关电化学知识，了解锂硫电池工作原理；②研究电池材料的制备工艺；③组装电池，测试其电化学性能；④探讨影响电池性能的因素。

科学原理：硫-锂二次电池中，单质硫发生氧化还原时为双电子得失，放电过程中存在两个放电平台（2.4V，2.1V），比容量高达1675mAh.g-1。由于硫为电子、离子绝缘体，须负载于导电载体。本课题利用石墨烯导电性好、表面积大的特点，将石墨烯作为单质硫的导电载体制备硫/石墨烯复合正极材料，提高活性物质的电子及离子传输能力，以硫硫键的断裂和生成实现电能与化学能的相互转化。

创新点：1、首次用原位复合法制备硫/石墨烯复合材料。2、以硫/石墨烯复合材料作为锂硫电池正极材料，未见文献报道。3、优化了石墨稀的制备工艺。河北省科技情报研究院查新结论证明，本课题研究成果，国内未见相同文献报道。

进一步设想：选取电解液添加剂、电极粘结剂改善电池性能。

新型PM2．5源头污染物处理功能材料的制备和效能研究

重庆市巴蜀中学校

作者：雷浩若

辅导教师：张荣庆  费春斌  杜明元

项目简介

近年来，PM2.5的污染问题对社会发展产生了很不利的影响，受到了越来越多的关注，寻找一种切实有效的方法来处理PM2.5的源头污染物成为当务之急。金属酞菁及其衍生物是一类带有四角氮骨格的化学性质极为稳定的大环状金属络合物，特殊的化学结构使它在化学催化、光电效应等方面具有十分优良的性质，研究表明，金属酞菁在常温或高温下可催化聚合反应、还原反应、脱羧反应、氧化反应、分解反应、碳基化反应、傅氏反应等。然而过去数十年，对于金属酞菁的研究主要集中在颜料、染料及印染工业相关方面，而有关它对含硫、含氮化合物等的催化氧化降解研究也有所进行，但因聚集效应而效果较差。

随着PM2．5污染问题的日益严重化，对其源头物质的高效降解处理已势在必行。金属酞菁已显示出在无二次污染处理含硫、含氮化合物等方面的特性，减少聚集态势，增大处理效能，成为研究重点。有较多研究发现含各种金属的酞菁，都有针对不同环境污染物的处理能力，但如何将众多金属酞菁结合起来使其以相乘或相加的效果处理纷繁复杂的PM2.5污染源头化合物还无任何研究。

本论文采用偏苯酐－尿素法（固相法），以邻苯二甲酸酐、偏苯三甲酸酐、氯化钴等为原料，合成且精制了可提高催化氧化效能的线性不对称羧基金属钴酞菁、铜酞菁、铁酞菁，并加以共混，通过其不对称羧基的氢键效应可结合成小网状化合物。用混合产物对含氮化合物氨气，含硫化合物硫化氢进行吸收处理测试，结果非常成功。

拟将进一步将它搭载在耐高温的玄武岩纤维（浙江省磐安县出产）上，可加以更好的应用。本实验的结果表明了这种新型混合酞菁作为新的处理PM2.5源头污染物材料的可行性，为解决当前的PM2.5污染和环境问题提供了新的思路和途径。

通过参与这次研究，我学习了很多化学、材料和环保等方面的知识，培养了自己对科学的热爱，并完成了自己的成长。：PM2.5；线性不对称羧基金属酞菁；混合金属酞菁；污染物处理；功能材料。