科研训练与实践是提升本科生学习能力、实践能力和科学素养的一个重要环节^[1-3]。西北工业大学是传统的工科学校，在我们的学习过程中有很多围绕工程实践和国家需求开展的科研训练环节。在此，分享一下我们依托国家级“大学生创新创业训练计划”参加“校节能减排大赛”过程中的一些感受和心得体会。

全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛(下称国赛)是由教育部高等教育司主办、唯一由高等教育司办公室主抓的全国大学生学科竞赛^[4]。该竞赛围绕国家能源与环境政策，结合国家重大需求，体现了“节能减排、绿色能源”的主题，让大学生切实体会到所学知识在国民经济重要领域中的应用。该竞赛每年举办一次，截止到2019年已经成功举办12届，累计参赛人数30余万人次，涉及化学、材料、能源、机械、资源、建筑、电气、海洋、社会、经济、矿业等多个专业。

我校节能减排社会实践与科技竞赛(下称校赛)于2010年开始至今，已经成功举办9届，主要目的就是培养学生将所学知识与实践相结合的能力，选拔国赛选手，同时遴选创新创业项目。累计参赛人数近万人，涉及机械、能源、航空航天、机器人、计算机等多个专业，具有明显的工科特色。

笔者是2017级本科生，来自西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院(中外联合办学)高分子材料与工程专业。在学校本科生导师计划的安排下，大一下学期进入指导老师闫毅教授课题组进行有机化学和高分子材料方面的科研训练与实践。2018年获批1项国家级“大学生创新创业训练计划”(“大创”)，主要研究金属基表面活性剂的合成。在科研训练中，在关注实验技能的同时，我们更加深入地思考一些实际应用中的问题，比如“我们的课题如何才能运用到生产生活当中去”。以此为契机，我们决定将“大创”的成果进行进一步总结，参加学校举办的节能减排大赛，并冲击国赛。

我们于2018年下半年开始筹划准备参加2019年的校赛。遇到的第一个难题就是竞赛选题。通过对比分析历年校赛参赛项目，我们发现几乎没有纯粹的化学和材料类题目，基本都是与我校“航空、航天、航海”特色有关的项目。经过与指导老师交流，我们觉得在选题中将我们在实验室的科研训练和国防特色相结合是个突破口。

考虑到“大创”所做的金属基表面活性剂题目，我们查阅了大量有关表面活性剂在国防和军事中应用的资料，发现其应用基本集中在洗涤剂、乳化剂、助溶剂、杀菌剂等，和我们的预期有一些差距。正当我们一筹莫展的时候，一则关于“辽宁号”航空母舰涂装的新闻引起了我们的关注(图1)^[5]。海水的侵蚀导致航母船体的严重腐蚀，影响了航母的作战能力。我们灵机一动，我们团队设计合成的金属基表面活性剂可否用于金属腐蚀防护呢？

我们及时与指导老师沟通，经过查阅文献资料发现有一类特殊的表面活性剂可以用于金属腐蚀防护，即表面活性剂型缓蚀剂。因此，我们初步拟定了“金属缓蚀剂”的项目，以“谈钴论金”——绿色高效二茂钴金属缓蚀剂”作为参赛题目。

节能减排大赛不仅仅是简单的创意，更重要的是要在结合基本理论知识的基础上，具有较强的应用背景、契合竞赛主题的选题、新颖的想法和强有力的数据支持，因此项目的实施过程也主要围绕这几方面内容展开。项目的实施流程和相关思路如图2所示。

如前所述，我们选定了“缓蚀剂”的主题，尤其是在舰艇、兵器、油田等领域的应用需求。针对“节能减排”的主题，我们重点围绕以下三点：一是应用背景，实际应用中对金属缓蚀剂的重要需求；二是“节能”，缓蚀剂的高效和绿色合成；三是“减排”，缓蚀剂使用过程中的“少剂量”。

经过文献调研，我们发现无论是在核潜艇、航母、水下兵器等重要的国防领域，还是在石油开采、运输等重要的民用领域，表面活性剂型缓蚀剂都有着广泛应用^{[6, 7]}。对其缓蚀原理进行分析，我们发现缓蚀剂的使用剂量和缓蚀性能与其临界胶束浓度有着直接关系，尤其是表面活性剂在金属表面的吸附行为。这与物理化学课程中表面活性剂的相关知识直接关联，尤其是物理化学实验中关于临界胶束浓度的测定和Langmuir吸附模型等^[8]。

课题与理论课堂知识的紧密联系进一步激发了我们的热情，从表面活性剂相关知识出发我们初步分析出了本选题的特色所在。经过调研发现^[9]：相比于传统季铵盐型表面活性剂，以金属配合物为亲水头基的金属基表面活性剂的临界胶束浓度更低，这也就意味着当达到相同的吸附量时，金属基表面活性剂的使用量更少，这正是“节能减排”的一个核心。

在对选题进行了全面的评估后，我们进入了本项目的关键一步，即目标缓蚀剂的分子设计和缓蚀实验方案制定。

针对缓蚀剂的绿色高效合成，我们提出的设计原则是：原料简单易得、反应高效、后处理简单、产率高。因此，在“大创”课题执行的基础上，经过与指导老师讨论，我们提出以本课题组擅长的二茂钴阳离子为亲水头基，通过高效的铜催化点击化学合成如图3所示的缓蚀剂。

这个合成路线的优点在于反应原料简单易得，整个合成过程无需复杂的操作，后处理和纯化过程无需柱分离，仅仅通过简单的沉淀过程即可实现纯度95%以上产物的合成，符合绿色、高效的“节能减排”要求。

成功合成出目标缓蚀剂后，我们利用物理化学实验中测定表面活性剂临界胶束浓度的方法对目标产物的临界胶束浓度进行了测定。发现：这类表面活性剂的临界胶束浓度确实比传统表面活性剂低1–2个数量级，甚至比目前商业化的“咪唑啉”类缓蚀剂临界胶束浓度还要低。这再次印证了我们在项目设计之初提到的“低剂量”使用。

为了深入地研究这类缓蚀剂的缓蚀性能，我们采用了国标^[10]中的失重法对其腐蚀速率(式(1))和缓蚀率(式(2))等重要性能参数进行表征，详细的实验装置如图4所示。

(1) $\begin{array}{l}v=\frac{10^{6} \times\left(m_{0}-m_{1}\right)}{S t} \end{array}$

(2) $\eta=\frac{\left(v_{0}-v_{1}\right)}{v_{0}} \times 100 \%$

其中，v (g·m^-2·h^-1)为腐蚀速率，m₀ (g)为初始质量，m₁ (g)为加入缓蚀剂t时刻的质量，S (m²)为钢片的表面积，t (h)为浸泡时间；η为缓蚀率，v₀ (g·m^-2·h^-1)和v₁ (g·m^-2·h^-1)分别为未加和加入缓蚀剂后的腐蚀速率。

为了深入理解缓蚀剂的缓蚀机理，在指导老师的建议下我们使用了电化学中的交流阻抗谱和动电位极化曲线对缓蚀过程进行了详细表征。然而，在具体的实验过程中我们遇到了困难。虽然在物理化学课程中，我们学习了一些电化学的基本知识，但是动电位极化曲线和交流阻抗谱却基本没有接触过。为此，在指导老师指导下，我们自学了曹楚南院士《腐蚀电化学》中的相关内容，并在高年级同学的指导下完成了实验测试。

围绕“节能减排”的竞赛主题，本项目涉及缓蚀剂合成、理化性质表征、缓蚀性能表征等三部分，相应的表征手段、结果与数据分析如表1所示。

针对缓蚀剂的绿色和高效合成：我们通过核磁共振氢谱和氟谱对目标缓蚀剂的结构进行了详细的表征和指认，并通过电喷雾质谱对其纯度进行了表征。这些数据表明，本方法可以高效地合成出高纯度的目标产物。而且整个过程无需柱分离，仅仅通过简单的沉淀即可实现绿色合成。

针对缓蚀剂的使用剂量：我们通过表面张力法和电导率方法分别测量了目标缓蚀剂的临界胶束浓度，从而确定缓蚀剂的使用剂量。众所周知，表面活性剂型缓蚀剂的缓蚀原理在于其在金属表面形成的单层吸附膜。因此，其使用剂量应该与其临界胶束浓度在同一数量级。经过数据分析发现，目标缓蚀剂的临界胶束浓度远低于常规季铵盐型表面活性剂1–2个数量级，因此其使用剂量更低，符合“节能减排”的宗旨。同时，考虑到缓蚀剂的使用环境是强酸性条件，我们还通过紫外-可见吸收光谱跟踪了目标缓蚀剂酸性溶液在不同时间段的稳定性。结果表明，该缓蚀剂在pH = 1的盐酸溶液中可以稳定存在至少24小时以上，满足实际缓蚀应用场景。

缓蚀剂的核心是其缓蚀性能。根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 523–93^[10]，我们以10#碳钢为模型，通过失重法测试了该缓蚀剂在盐酸条件下的缓蚀性能。通过分析不同缓蚀剂浓度、不同浸泡时间、不同温度下有无缓蚀剂钢片质量的变化，可以求得相应的腐蚀速率和缓蚀速率。结果表明，目标缓蚀剂在20 mg·L^-1浓度条件下可以实现对10#碳钢90%以上的缓蚀，性能远远优于商业化的咪唑啉类缓蚀剂。

综上，通过数据分析，本项目可以实现绿色、高效的缓蚀剂合成；目标缓蚀剂使用剂量低、缓蚀性能优异；再加上本项目的国防和民用应用背景，本项目符合“节能减排”的宗旨。

缓蚀剂的优异缓蚀性能极大地鼓舞了我们。但是，当我们与指导老师进一步讨论后发现，作为“产品型”的竞赛，本项目还存在以下不足：一是缺少与现有商业化缓蚀剂在成本、性能等方面的全面对比；二是缺少成系列的产品设计。

在指导老师张军平老师的安排下，我们前往中国石油集团石油管工程技术研究院，向专业的缓蚀剂研究人员请教。对现有的商业化的咪唑啉类、曼尼希碱类、苯并三唑类等缓蚀剂在市场价格、缓蚀性能等方面的优缺点进行了详细的了解。

同时在与指导老师、行业人员沟通的过程中，我们也在思考如何形成系列的产品。在指导老师的点拨下，我们再次回到表面活性剂临界胶束浓度的思考上来。仔细阅读《物理化学》教材^[8]，发现表面活性剂的临界胶束浓度与其结构有着一定联系。比如双子型表面活性剂的临界胶束浓度比单头表面活性剂更低。因此，我们提出是否可以设计出单头、双头、多头的表面活性剂型缓蚀剂，进一步降低其临界胶束浓度，从而降低其使用剂量，提高缓蚀效果。

为了充分应对节能减排的答辩，我们考虑了以下几个方面：

考虑到答辩评审老师可能并不熟悉化学方面的相关工作，我们避开了晦涩难懂的化学术语和合成步骤中的一些细节说明，而是着重于展示我们产物的实际效能——缓蚀性能的强弱。我们一一罗列出自己测得的表征数据，并与同类型的产品进行横向对比，最大化突出产品抗腐蚀能力强的特点。

为了使答辩PPT的展示效果更好，我们图文并茂，尽可能删减不必要的话语，力求简洁明了、清晰。我们小组内部多次协商讨论，并发给导师请求修改意见，前前后后修改了很多遍PPT结构，从而尽量达到最好的答辩效果。

在答辩过程中，经过评审老师提问与交流，我们发现自己在节能减排的角度依然没有达到足够深入的思考，在具体问题的分析上也不够充分。比如说，我们没有充分考虑过缓蚀剂在高温下的热稳定性：大部分的工业锅炉运行温度极高，也就是说缓蚀剂所能运用的空间比较小，节能减排的范围被限制。当然，这款缓蚀剂在特定领域非常具有应用潜力，比如说石油运输管道这种低温高酸性的环境。尽管在答辩前我们就考虑了产品的成本。但是我们仅仅考虑了简单的原料成本和设施成本的加合，而忽略了实际生产过程中的人工、研发、生产周期和运输等问题。同时，我们所设计的缓蚀剂的毒性和环境安全性也缺乏考虑。

最终答辩拓展了我们思考问题的深度和广度，让我们意识到节能减排不仅仅是单一学科的问题，而是整个工业、经济体系的综合考量。想要完成节能减排的目标，我们不仅需要在后面的实验中有更多的思考，还需要用综合的工科知识武装自己，才能真正接近到节能减排的目标。这正是科研训练的意义所在：在实际的参与以及操作中去思考问题，去思考那些更加深入、在理论知识框架内无法完全覆盖的问题。

经过激烈的角逐，我们获得了校节能减排大赛的三等奖(图5)，很遗憾无缘国赛。但通过此次比赛，我们成功地把所学知识付诸实践。比赛的结果是一方面，但我们更看重的是自己参与其中的轨迹。通过此次比赛，极大地丰富了我们的科研经历，让我们真正感受到了将所学理论知识运用到国防、民用关键领域中的艰难，体验到了解决实际问题的“系统思维”，积累了如下参赛经验。

首先是本科生参加科研训练的前提和赛前需要考虑的四方面因素(图6)：(1)团队实际情况与统筹，团队成员学业繁重，在实验室的工作时长较短，无法参与耗时较长的科研训练，如何统筹团队成员之间的时间，发挥团队优势；(2)团队成员的知识架构和学科专长；(3)结合导师的研究方向；(4)工程实际与学校特色。

其次是竞赛类项目的申请书写作。经过在实验室的前期积累和与导师的沟通，形成了初步的想法和思路后，项目申请书的写作过程也是本科生参与科研训练与实践的一个重要环节。主要包括：(1)如何用科学的语言把脑海中的思路和相关内容展现出来。我们团队的六个人进行多次会议讨论具体的分工以及申报书的修改，例如“选题目的”这一模块，虽然听起来简单，但是严谨的科研写作不允许任何“模糊”，为了充分证明选题的必要性和合理性，我们对文章中出现的任何数据都进行了严格的考证；关于缓蚀剂机理部分我们也是在阅读完缓蚀剂的综述论文之后才写下来的，二者均附有参考文献的链接。短短一千字左右的申请书经历了前前后后几次修改，用了近两周的时间才基本完成。(2)从工科学生的角度来讲，还有很多和纯理论研究不一样的地方。比如说背景和意义这一部分，需要考证大量的论文资料。我们求证了每一个被引数据的真实性和可靠性，进行标注，在这个过程中，很多国家标准或是国际标准需要同时被考虑。作为工程类学生，我们还得考虑实验方案、成果产物是否达到国家或国际标准；此外，我们也调查了市面上已有的缓蚀剂，进行罗列和对比，分析他们各自的优缺点，找到潜在的发展方向；在缓蚀机理方面，因为市面上的缓蚀剂因种类不同导致机理部分不尽相同，所以关于缓蚀剂的机理部分我们格外认真，我们从知网上搜寻相应的论文，先是自行阅读理解，进而开会一起讨论。讨论中既扫除了各自理解部分的知识盲区，也为我们进一步的实验设计打下了坚实的基础。

最后，最重要的部分当然是实验过程。一般情况下，为了保证数据的重现性，相同的实验都得进行三次以上的重复。一般前两次实验都是在师兄师姐的帮助下操作的，这样的机会对于我们来说显得弥足珍贵。这与平时我不定期地进入实验室跟随师兄师姐的操作有着天壤之别。一方面，这是一种主动的学习，我们很清楚自己要做什么，要学习什么。整个过程告诉我们带有明确目的性的学习是十分有效的；另一方面，一旦有哪些步骤、哪些操作方面有疏漏、有欠缺，可以立即返回去学习；最重要的是，在最后，我们可以亲手操作一遍实验，这才是真正意义上的理论与实践结合，极大地提高了自己的实际操作能力，培养了兴趣爱好。

作为本科生参与科研训练本身存在着如下矛盾：(1)时间投入：我们平时大部分时间都花费在自己的课程学习中，而科研训练则需要长时间投入；(2)理论知识与动手能力：我们虽然基本掌握了化学和材料学的基本知识，但是在动手能力方面却显得无从下手。多数情况，都是跟师兄师姐学习他们当下正在进行的操作。这样的学习，大多数都是模仿训练，类似于高中的学习模式，很难训练自己“发现问题，处理问题、解决问题”的科研思维。所以，我们认为，竞赛类科研训练的最大好处就在于通过让我们(本科生)成为项目负责人，充分地激发我们的自主学习能力，摒弃通常情况下依赖师兄师姐的坏毛病，像一名真正的科学家一样去思考问题，为将来自己真正的科研道路打好基础。科研实践和竞赛经历在督促本科生进入实验室，参与课题研究，学习实验技能，锻炼与人合作的能力等方面也有着极大的促进作用。

作为工科学生，我们在参加节能减排大赛的过程中，更加深刻地体会到了理论研究与实际问题之间的差距。在真实的生产生活当中，需要思考的影响因素远远多于理论研究，不断思考的过程也是不断拓展认知的过程。尤其是在思考过程中不断考虑对于人类，对于自然的影响，让我们第一次感受到了作为工科生的社会责任感和自豪感。