2025年大学《能源化学》专业题库- 燃料化合物在能源转化中的作用研究

2025年大学《能源化学》专业题库——燃料化合物在能源转化中的作用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.下列哪种燃料化合物在完全燃烧时单位质量释放的能量最高？A.甲烷(CH4)B.乙醇(C2H5OH)C.甲醇(CH3OH)D.乙烷(C2H6)2.燃料电池中，将化学能直接转化为电能的核心部件是？A.电解质B.催化剂C.负极D.膜电极组件(MEA)3.在等压条件下，某燃料完全燃烧放出热量，该过程的焓变（ΔH）描述的是？A.系统对外做的功B.系统内能的增加C.系统释放的热量D.系统吉布斯自由能的变化4.下列哪种污染物主要是在燃料不完全燃烧的情况下产生的？A.二氧化硫(SO2)B.氮氧化物(NOx)C.一氧化碳(CO)D.氧化亚氮(N2O)5.生物质能通常被认为是可再生能源，其主要转化途径不包含？A.直接燃烧B.生物发酵C.热解气化D.石油裂解6.在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，通常使用的电解质材料在高温下应以什么状态存在？A.液态B.固态C.气态D.溶液态7.催化剂在能源转化过程中，主要起到的作用是？A.改变反应的平衡常数B.改变反应的活化能C.降低反应的吉布斯自由能D.消耗反应物8.氢能被认为是清洁能源，但目前大规模制氢的主要挑战之一是？A.氢气的储存和运输成本高B.燃料电池效率低C.氢气燃烧热值不高D.氢气来源单一9.热力学第二定律指出，孤立系统的熵总是？A.减小B.增大C.不变D.先增大后减小10.对于一个燃料电池堆栈而言，提高其功率密度的关键因素之一是？A.降低电解质的电阻B.降低催化剂的成本C.提高燃料的纯度D.增加电池的厚度二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）11.燃料的热值是指1kg某燃料完全燃烧所放出的。12.燃料电池按电解质类型可分为酸性、碱性、和固态氧化物燃料电池。13.燃料在气相中由气态燃料分子分解成自由基的过程称为。14.影响燃料电池性能的关键因素包括催化剂活性、和电解质稳定性。15.生物质气化是指生物质在环境下热解产生燃气的过程。16.能量转换效率是指与之比。17.在燃料电池中，发生氧化反应的电极称为极。18.原位表征技术可以在条件下观察反应物、产物和催化剂的状态变化。19.氢的储存方法主要有高压气态储氢、和液态储氢。20.碳捕集与封存（CCS）技术旨在减少大气中的排放。三、简答题（每小题5分，共20分。）21.简述燃烧反应的基本条件。22.与传统内燃机相比，燃料电池的主要优点有哪些？23.什么是催化剂的“选择性”？为何在能源转化过程中需要高选择性的催化剂？24.简述生物质能转化的主要优势。四、计算题（每小题8分，共16分。）25.已知甲烷（CH4）的燃烧热ΔHc(298K)=-890kJ/mol，水在298K下的标准生成焓ΔHf(298K,H2O(l))=-285.8kJ/mol，二氧化碳在298K下的标准生成焓ΔHf(298K,CO2(g))=-393.5kJ/mol。计算甲烷燃烧生成液态水的反应焓变ΔH。26.某固体氧化物燃料电池在800°C下工作，电池反应为H2+1/2O2→H2O。已知该温度下电池的电动势E=1.0V。假设反应发生在一个可逆电池中进行，计算该电池反应的吉布斯自由能变ΔG。(提示：ΔG=-nFE，n为转移电子数，F为法拉第常数，F=96485C/mol)五、论述题（每小题10分，共20分。）27.论述提高燃料电池燃料利用率的主要途径及其对电池性能的影响。28.阐述当前生物质能转化技术面临的主要挑战，并简述可能的解决方案。试卷答案一、选择题1.A2.D3.C4.C5.D6.B7.B8.A9.B10.A二、填空题11.热量12.磷酸盐膜，固态氧化物13.热解14.电极反应动力学15.缺氧16.输出有用功的能量，输入总能量的能量17.负18.反应进行中19.固态储氢20.二氧化碳三、简答题21.燃烧反应需要同时满足三个基本条件：可燃物、助燃物（通常是氧气）和点火源（达到着火点的温度）。三者必须相互作用才能发生燃烧。22.燃料电池的主要优点包括：能量转换效率高（可直接将化学能转化为电能，无燃烧过程）、环境友好（仅排放水，无NOx,SOx等污染物）、燃料灵活性强（可用氢气、天然气、甲醇等多种燃料）、噪音小。23.催化剂的“选择性”是指催化剂能促使特定反应发生，而对其他可能发生的反应无活性或活性较低的特性。在能源转化过程中需要高选择性的催化剂，是为了提高目标产物的收率和纯度，减少副产物的生成，从而提高转化效率和经济效益。24.生物质能转化的主要优势包括：可再生能源（来源于生物质，可持续利用）、资源丰富（来源广泛，如农作物、林业废弃物、生活垃圾等）、减少化石燃料依赖、有助于碳循环和温室气体减排、可能带动农业和农村经济发展。四、计算题25.解：CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)ΔHc(298K)=-890kJ/mol反应生成液态水，需利用液态水的生成焓。反应物总生成焓=0+0=0kJ/mol。生成物总生成焓=ΔHf(298K,CO2(g))+2*ΔHf(298K,H2O(l))=-393.5kJ/mol+2*(-285.8)kJ/mol=-393.5kJ/mol-571.6kJ/mol=-965.1kJ/mol。ΔH=生成物总生成焓-反应物总生成焓=-965.1kJ/mol-0kJ/mol=-965.1kJ/mol。答：甲烷燃烧生成液态水的反应焓变ΔH=-965.1kJ/mol。26.解：电池反应H2+1/2O2→H2O，转移电子数n=2（H2→2H++2e-）。电动势E=1.0V=1.0J/C。法拉第常数F=96485C/mol。ΔG=-nFE=-(2mol)*(1.0J/C)*(96485C/mol)=-192970J/mol=-192.97kJ/mol。答：该电池反应的吉布斯自由能变ΔG=-192.97kJ/mol。五、论述题27.提高燃料电池燃料利用率的主要途径包括：（1）采用燃料预处理技术：去除燃料中的杂质（如CO2,CO,H2O,S等），这些杂质不仅会降低利用率，还可能毒化催化剂。例如，对天然气进行脱硫脱水，对甲醇进行水煤气变换。（2）优化催化剂：开发活性更高、选择性更好、抗毒化能力更强的催化剂，特别是阴极氧还原反应（ORR）催化剂，以降低对氢气的纯度要求，促进燃料的完全电化学氧化。（3）燃料电池系统设计优化：通过热管理、水管理和压力管理，维持电池在最佳工作条件下运行，减少副反应和能量损失。这些途径对电池性能的影响是：提高燃料利用率意味着减少了燃料消耗，从而降低了运行成本；同时，更完全的燃料转化有助于减少副产物的生成（如CO），保护催化剂，延长电池寿命；在某些设计中（如燃料电池-热电联供），提高燃料利用率也意味着提高了系统的总能量效率。28.当前生物质能转化技术面临的主要挑战包括：（1）原料收集和预处理成本高、效率低：生物质资源分散、种类多样，收集运输不便，物理或化学预处理（如纤维素水解）过程复杂、能耗高、催化剂昂贵。（2）转化效率有待提高：许多转化过程（如气化、发酵）的化学能利用率不高，副产物多，产物分离纯化困难。（3）催化剂性能需进一步提升：现有催化剂往往稳定性、活性、选择性不足，需要开发更高效、更稳定、成本更低的催化剂。（4）规模化应用与环境影响：大规模种植能源作物可能与粮食安全、土地利用冲突；转化过程可能产生污染物（如焦油、重金属）；整体经济性仍需改善。可能的解决方案包括：（1）发展高效、低