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实验结果的“预料之中”和“预料之外” 精选

已有 5515 次阅读 2021-7-18 23:18 |系统分类:教学心得

实验结果的“预料之中”和“预料之外”

对做实验的同学来说,几乎没有人盼望自己实际得到的实验结果与预期的结果不一致。也就是说,我们希望得到的实验结果在“预料之中”。实际上,我们往往面临和面对的是实验“预料之外”结果的(图1所示)。但是,有些同学会选择忽视或忽略埋在海水之中的那些“预料之外”的结果,没有去深挖原因,也没有去追溯细节,而是简单的下结论为“我的实验失败了”。甚至,绝大多数这样的经历都觉得“不齿于”跟别人(尤其是导师)分享。殊不知,有一些“预料之外”的结果倒是成就了很好的发现和成果。

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图1 实验结果的冰山理论

(原图取自https://www.mypspa.org/article/more/the-iceberg-theory)

 

我们团队的小伙伴们面对过很多“预料之中”或“预料之外”实验结果。其中有一个案例还是很具有代表性。我们课题组从事金属-有机骨架(MOF)用于环境修复方面的工作,重点在于将MOFs用于荧光传感环境中的污染物,并通过吸附、高级氧化等技术手段去除环境中的污染物。

2016级的硕士研究生徐雪艳同学拟选择UiO-66-NH2(以奥斯陆大学命名的一种MOF)作为光催化剂降解水体中的有机污染物。考虑到UiO-66-NH2的导电性不佳,产生的光生电子-空穴易复合,徐雪艳选择了磷酸银(Ag3PO4)纳米颗粒作为半导体催化剂与其复合,拟构建一个异质结实现上述两种材料的协同作用从而实现良好的光催化性能以高效降解水体中的有机物。当时,选定磺胺甲恶唑作为有机污染物靶物。在光催化之前的暗吸附阶段,不同比例的UiO-66-NH2/Ag3PO4复合物(UAP-X)均对磺胺甲恶唑表现出良好的吸附性能。

但是,在光催化系统的光源打开后,其中的UAP-120没有对吸附上的磺胺甲恶唑进行明显的光催化降解(图2中蓝色的线),而是将其“吐”出来了。这一现象完超出了雪艳同学的预期,属于“预料之外”的实验结果!雪艳同学在多次重复实验后,发现这种现象非常稳定,不属于实验误操作或者个别现象。但是,如何解释这一“预料之外”的实验结果?这让她陷入了“困境”。她带着这个实验结果和我讨论,我当时的第一反应也是“怎么会这样?”

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图2 不同比例的UiO-66-NH2/Ag3PO4复合物(UAP-X)对磺胺甲恶唑的吸附-脱附情况(Chemical Engineering Journal 350 (2018) 436–444)

 

经过多次讨论,我突然想起这与2013年在贵阳举办的第七届全国环境化学大会上听到张淑娟老师做的报告里面提到的光控脱附颇为相似。于是,徐雪艳同学放弃了将UiO-66-NH2/Ag3PO4复合物用作光催化剂光催化降解磺胺甲恶唑的既定方案,开始详尽地研究其作为高效吸附剂吸附磺胺甲恶唑的行为,并解释了其光控脱附的原理(图3)。

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图3 UiO-66-NH2/Ag3PO4复合物(UAP-120)对磺胺甲恶唑的吸附-脱附机理示意图(Chemical Engineering Journal 350 (2018) 436–444;ACS Applied Nano Materials (2019) 418−428)


这个工作鼓励了我们设计、合成骨架本身具有光响应结构异构性能的新型MOFs材料以实现对水体中有机污染物的高效吸附去除,并在光照条件下将所吸附的污染物脱附出来实现吸附剂的在审。这改变了以往采用有机溶剂脱附、热脱附、酸碱脱附等“不环保”的手段实现吸附剂再生的传统做法,为“绿色、环保、节能”地实现吸附剂再生提供了新的可能。

   这是一个貌似光催化剂设计的失败案例,但幸运的是,雪艳同学没有将其“预料之外”的实验结果予以否认或放弃,而是用心地去探寻其背后机理机制。正是雪艳同学“预料之外”的发现开启了我们课题组一个新的研究方向,那就是“光控脱附”。

 

彩蛋:随附本文成稿后与雪艳同学的微信聊天记录。


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