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指导博士生走出科研“迷宫” 精选

已有 9219 次阅读 2022-6-2 14:40 |个人分类:研究生教育|系统分类:科研笔记

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2014年,小刘从别的一所学校考进复旦大学,加入我的课题组。我给他指明了一个研究领域——新型负载型金催化剂的CO(一氧化碳)氧化,让他着手进行文献调研。可是,他的思维跳到了别的研究领域:他看到有篇文献用“一锅法”合成了介孔(具有纳米孔的)CuO-Al2O3,就提议将此材料用于催化分解N2O(氧化亚氮)。但我认为,如果只是机械地复制别人的介孔材料,然后简单地测试该材料在一个反应中的性能,那没有意思。我还预测,用介孔CuO-Al2O3催化分解N2O是无效的——我曾发现介孔CuO对该反应没有活性,Al2O3对该反应也没有活性。因此,认为把两种没有活性的氧化物组合在一起,催化分解N2O的效果也不会好。

可是小刘瞒着我制备了介孔CuO-Al2O3,并用它催化分解N2O,发现一点活性都没有。我察觉后,问他为什么偷偷做实验。他说我们课题组先前和别的课题组合作,发现Cu-ZSM-11沸石中的Cu+是催化分解N2O的活性位,而文献报道介孔CuO-Al2O3含有Cu+,因此他认为介孔CuO-Al2O3可能对该反应有活性。如果不加以验证,他心里“像猫抓一样难受”。

我很生气,因为我早就叫他别做这种实验,并且得到的结果也不好。但同事说,至少这位学生有自己的科研想法(哪怕不成熟),也肯做(哪怕结果不理想),要利用他的科研积极性,引导他走上正轨。

于是,我和小刘细细讨论。我问他很多问题:别人合成介孔CuO-Al2O3的方法有什么创新性?他们研究了什么催化反应?该反应的活性位是什么?文献说介孔CuO-Al2O3含有Cu+,那么Cu+占所有Cu物种的比例有多大?催化剂焙烧温度有多高?催化剂有没有用H2或者He预处理?你的制备方法和别人的有什么区别?为什么催化剂用到N2O分解中就无效了?有没有可能催化剂的Cu物种主要是CuO?Cu含量多少?如果催化剂对N2O分解无效,有没有可能对其他反应(比如CO氧化)有效?如果对其他反应有效,那么这个工作的创新性又在哪里?

小刘被我连珠炮似的问题问倒了。我告诉他,读文献不能“一笔糊涂账”,也不能“见着风就是雨”。介孔CuO-Al2O3在某种处理条件下含有Cu+,不代表全部Cu物种就是Cu+。并且,Cu-ZSM-11沸石骨架中的Cu+对于催化分解N2O有用,不代表CuO-Al2O3中含有的Cu+对该反应有用。

我对小刘说,我不希望学生只是机械重复文献的合成实验,然后千篇一律地在论文里说“XRD数据表明介孔是存在的,TEM结果表明有介孔的”,轻飘飘地给出催化活性数据,并提出陈词滥调的结论(例如“纳米催化剂比普通催化剂好”)。做催化研究,最好所用的材料都是新的,而且论文要体现“探究”的过程。

带着问题,小刘考察了介孔CuO-Al2O3催化的CO氧化,发现有一定效果,但正如我所说的,即便有效果,还是没有创新性,回答不了“即便得到了活性,那又怎么样?”的问题。我让小刘把CuO换成其他氧化物看看有没有更好的效果。于是他制备了一系列介孔MOx-Al2O3,发现它们对催化分解N2O一点活性都没有,对于CO氧化活性有些区别,但总体活性不高。

好几个月过去了,还没有关键进展,我们有点“骑虎难下”。这时,我想到负载型Rh2O3催化剂在N2O分解和CO氧化中有用,如果把Rh2O3负载在一系列介孔MOx-Al2O3上,催化剂活性会更高,不同的载体对催化性能可能会呈现出“载体效应”。并且,把Rh2O3负载在一系列介孔MOx-Al2O3上也没有被报道过。

小刘和我讨论以后,感到豁然开朗。他很快制备出Rh2O3/MOx-Al2O3催化剂,并进行了催化测试,发现催化活性的确比MOx-Al2O3高多了,且不同催化剂的效果有明显区别。他又对系列催化剂进行了详细的表征,并撰写了论文。

小刘最初写的论文引言部分强调了N2O是一种空气污染物,因此我们需要开发新的催化剂去脱除N2O。看到小刘的初稿,我指导他:写引言不能人云亦云,“别人也这么写”不能成为自己也这么写的理由,要有自己的归纳提炼。还要注意角度:整篇论文是以新材料的开发为导向,是以催化性能为导向的,还是以反应机理为导向?如果你的催化剂效果没有那么好,或者催化剂效果好坏的道理说不清,但一系列催化材料是新的,为什么不从新催化剂开发的角度写引言?

我提出这篇论文的引言部分的写作思路:介孔SiO2是一类重要材料,有广泛用途,但介孔Al2O3较难合成。文献中有人采用某种方法成功制备出Al2O3,进而有很多关于介孔MOx-Al2O3的报道。介孔MOx-Al2O3可以直接作为催化剂,催化很多反应(举例说明)。它们还可以作为前驱体,通过氢气还原制备负载型金属催化剂(举例说明)。但是,以介孔MOx-Al2O3作为载体负载活性组分制备催化剂的报道很少。本文以一系列介孔MOx-Al2O3作为载体负载Rh2O3,采用多种表征手段进行详细表征,并研究了N2O分解和CO氧化。

应该“马后炮”似地,根据“卖点”或者“标题”写引言。我给小刘梳理论文的标题和写引言的提纲。

标题:介孔MOx-Al2O3的合成、表征和催化应用

1. 介孔氧化硅引起人们广泛关注,很有用

2. 大多数文献集中在介孔氧化硅,其他介孔氧化物报道相对少,合成较难

3. 某人用某种方法成功合成出介孔氧化铝,后来有些文献报道介孔MOx-Al2O3

4. 介孔MOx-Al2O3自己可以作为催化剂(例子)

5. 介孔MOx-Al2O3可以作为催化剂的前躯体制备新的催化剂(例子)

6. 介孔MOx-Al2O3可以作为载体制备负载型催化剂,但这方面报道相对少(例子)

7. 本文采用介孔MOx-Al2O3作为载体负载Rh2O3,探索了催化应用

费了好大的劲,这个研究终于完成了,论文也发表了。小刘从中学到了选题、做实验、写论文、克服困难的方法,他对我的指导更加信服了。

后记:小刘三年在读期间的科研工作整理出5篇SCI论文,他在2017年顺利毕业。



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