近日，我校化材学院刘金云教授课题组在绿色化学创新实验设计方面的研究成果发表在化学教育研究领域的全球顶级期刊《Journal of Chemical Education》（美国化学会1924年创刊）。这篇论文，也是化材学院第一次由非教学论研究的老师在国际顶级化学教育期刊发表论文，此代表性成果体现出化材学院近年来在自然科学研究与化学教育研究相互融合发展方面达到了一个新的高度。

       许多化学实验都可能产生有毒有害气体，或者需要高温加热以及使用大量的玻璃仪器，不适合于化学教学。刘金云课题组开创性地设计出基于绿色安全水凝胶和乙二胺四乙酸（EDTA）相结合的“变色珍珠”水凝胶微球，利用海藻酸钠形成水凝胶嵌入EDTA，通过EDTA与金属离子的络合反应，“变色珍珠”可以展现出各种颜色变化，大大提高化学络合反应的教育教学效果，而且可以广泛用于各个年龄段公众的亲自动手操作与体验展示活动等。

       海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，其分子由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）组成，当有Ca²⁺、Sr²⁺等阳离子存在时，G单元上的钠离子与二价阳离子发生离子交换反应，使得G单元堆积形成交联网络结构，形成水凝胶。刘金云课题组巧妙地利用此特点，在制备水凝胶过程中加入EDTA，获得嵌入EDTA的水凝胶小球（称之为“变色珍珠”）。EDTA的配位能力较强，与大多数金属离子可形成稳定的络合物，且反应速率快。EDTA与无色的金属离子生成无色的配位化合物，与有色金属离子生成颜色更深的配位化合物。由此，将“变色珍珠”浸入到不同金属离子溶液中，可以发生不同的颜色变化，从而反映出金属离子与EDTA的络合反应。

图1 “变色珍珠”制备及其与金属离子络合的变色过程照片

       此外，对于同类型络合物，稳定常数大，配位化合物的稳定性较高。还可以利用稳定常数的大小不同，对配位化合物进行转化。进一步将已变色的“变色珍珠”投入到其他的金属离子溶液，可以通过“变色珍珠”是否变色，简单地判断出EDTA与各种金属离子结合的稳定常数大小。进一步深入研究，还采用仪器分析（包括FTIR、ICP、EDS&mapping等），揭示了EDTA与金属离子的络合反应动力学过程，以及不同金属离子在“变色珍珠”中的含量变化规律等。

图2 “变色珍珠”通过颜色变化来展示EDTA与各种金属离子结合的稳定常数大小

       同时，刘金云课题组将材料和仪器改进，仪器选取非玻璃材质的高透塑料，降低成本的同时避免玻璃仪器易破碎的缺点，研制出一种便携的化学实验试剂盒（已申请实用新型专利），真正做到了随时可实验、随处可实验。设计的“变色珍珠”化学络合反应实验，全程绿色安全，操作简单，充满趣味，可自主动手操作，知识通俗易懂，适合各个年龄段和知识层次，以及从小学到中学再到大学的相关教育教学或科普活动等。

图3大学生化学实验与“变色珍珠”化学实验进社区活动照片

       基于研制的“变色珍珠”化学实验试剂盒，开展了一系列大学化学实验和深入社区开展科普活动，吸引了大量小朋友积极踊跃参与（鉴于小朋友自己动手操作的安全考虑，还特制了仅包括常见金属离子例如铜离子、铁离子等的试剂组合，更加安全可靠）。“变色珍珠”化学实验及其试剂盒受到广大学生和小朋友家长们的一致好评和欢迎，也展现出广阔的应用前景。

       刘金云老师近年来主要开展新能源储能材料的自然科学研究，一方面连续在相关领域的重要学术期刊（例如ACS Nano，Adv. Sci.，Small，Chem. Comm.等）发表新材料绿色能源研发成果论文，主持完成了安徽省科技重大专项、安徽省高校自然科学研究项目重大项目等；另一方面，积极探索绿色化学实验创新设计，提高对大学生的教育教学效果。“变色珍珠”化学创新实验相关研究结果以“A Color-Changeable “Pearl” for Visually Displaying Chemical Complexation Reactions”为题于2022年12月发表在《Journal of Chemical Education》（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.2c01008）https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07174。作者包括：Tianli Han（韩阗俐，副教授），Shanshan Yang（杨珊珊，本科生），Liying Zhu（朱莉影，硕士生），Xirong Lin（林夕蓉，博士生），Jinyun Liu*（刘金云教授，通讯作者）。这篇由自然科学研究老师发表的高档次教研论文，体现出学院教育教学和自然科研相互结合发展水平的不断提高。