2025年大学《能源化学》专业题库- 太阳光下的光催化水分解制氢技术

2025年大学《能源化学》专业题库——太阳光下的光催化水分解制氢技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每小题4分，共20分）1.光催化2.半导体的能带结构3.光生电子-空穴对4.量子效率(QE)5.过电位二、填空题（每空2分，共20分）1.光催化水分解制氢过程通常涉及______和______在催化剂表面的还原与氧化反应。2.提高光催化剂可见光利用率的主要途径包括调控其______或构建______结构。3.n型半导体光催化剂在光照下，价带产生空穴，导带产生______。4.光生载流子在传输过程中容易因______和______而复合，降低光催化效率。5.常见的用于光催化水分解的半导体材料有TiO₂、ZnO、CdS、______和g-C₃N₄等。三、简答题（每小题8分，共32分）1.简述光催化水分解制氢反应的基本过程。2.解释什么是半导体的能带隙，以及能带隙宽度对光催化活性的影响。3.简述光催化剂表面复合的主要机制及其对光催化性能的影响。4.为了提高光催化水分解制氢的效率，可以从哪些方面对光催化剂进行改性？四、论述题（每小题12分，共24分）1.详细论述光生电子-空穴对分离效率低是限制光催化水分解制氢效率的关键因素之一，并说明提高其分离效率的几种主要策略。2.结合实际，分析当前光催化水分解制氢技术面临的主要挑战，并提出应对这些挑战的潜在技术途径或研究方向。试卷答案一、名词解释1.光催化：指在光的作用下，利用半导体等光催化剂促进化学反应发生的过程，通常表现为加速氧化还原反应。**解析思路：*考察对光催化基本定义的理解，强调光和催化剂两个核心要素及其作用。2.半导体的能带结构：指半导体材料中电子能量存在的量子化状态，由满带的价带和空着的导带组成，两者之间存在一个禁带（带隙）。**解析思路：*考察对半导体能级结构的基本概念掌握，包括价带、导带和禁带（带隙）。3.光生电子-空穴对：指半导体材料在光照作用下，吸收光子能量后，在价带产生空穴（带正电），在导带产生自由电子（带负电）的载流子对。**解析思路：*考察对光激发过程中产生的核心载流子及其性质的掌握。4.量子效率(QE)：指光催化反应中，吸收光子并转化为有用产物（如氢气）的分子数或生成量与吸收的光子数或能量之比，是衡量光催化体系性能的重要指标。**解析思路：*考察对量子效率定义及其作为性能指标的意义的理解。5.过电位：指在电化学过程中，驱动特定反应（如析氢或析氧）以宏观可观的速率进行所需的实际电位与理论平衡电位之间的差值。**解析思路：*考察对过电位在电化学催化反应中作用的理解。二、填空题1.氧气；氢气**解析思路：*考察对水分解反应基本产物（H₂O→H₂+½O₂）的明确记忆。2.能带结构；异质结**解析思路：*考察提高可见光利用率的两种主要物理方法：拓宽光吸收范围（改变能带）和促进电荷分离（异质结）。3.电子**解析思路：*考察光激发过程中，半导体内部产生的两种主要载流子的具体种类。4.扩散；复合**解析思路：*考察光生载流子失去活性的两个主要途径，即物理上的迁移损失（扩散）和化学上的湮灭（复合）。5.g-C₃N₄**解析思路：*考察对常见光催化剂种类的掌握，g-C₃N₄是题目中已提及的一种重要代表。三、简答题1.光催化水分解制氢反应的基本过程包括：半导体材料在光照下吸收光能产生光生电子-空穴对；这些载流子在内部电场作用下分离，并扩散到材料表面；光生电子在催化剂表面将水还原生成氢气；光生空穴也在表面将水或氢氧根氧化生成氧气。整个过程在电解液中发生。**解析思路：*要求概述整个反应链条，从光激发到电荷分离、传输，再到表面反应生成产物，体现对基本过程的掌握。2.半导体的能带结构是指其固有的电子能级分布，由满填的价带和空的导带以及两者间的禁带宽度（Eg）构成。能带隙宽度决定了半导体吸收光子的最小能量（hν=Eg）。对于光催化水分解，理想的光催化剂应能吸收尽可能宽谱段的光（包括可见光甚至近红外光），这意味着需要较小的带隙宽度。然而，带隙过小会导致光生载流子能量不足，难以克服反应活化能。因此，通常选择带隙宽度适中（约2.0-3.0eV）的材料，并通过改性等手段优化其能带位置，使其匹配反应所需的电势。过大的带隙则意味着只能吸收紫外光，紫外光占比很小，且产生的电子能量过高可能引发副反应。**解析思路：*考察对能带结构、带隙、光吸收、载流子能量与反应的关系的理解，要求辩证看待带隙宽度的利弊。3.光生载流子在半导体的导带和价带中移动时，如果不及时迁移到表面参与反应或复合，就会在材料内部或表面区域积累。由于库仑吸引，电子和空穴倾向于相互靠近并重新结合，这个过程称为复合。载流子复合不会产生有用产物，是光催化过程中的一个重要损失机制，直接导致量子效率降低。影响复合的主要因素包括材料内部的缺陷、表面态、以及载流子的扩散长度和速率。因此，提高光催化效率的关键策略之一就是抑制光生电子-空穴对的复合。**解析思路：*考察对光生载流子复合现象、原因及其对效率影响的理解，并点明其重要性。4.为了提高光催化水分解制氢的效率，可以从以下几个方面对光催化剂进行改性：*光学改性：改变能带结构，拓宽光吸收范围，以利用更多波长的太阳光（如通过掺杂、贵金属沉积、构建异质结等）。*电子结构改性：调整能带位置（如构建能带匹配的异质结），促进光生电子-空穴对的有效分离和快速迁移到表面。*形貌与结构改性：控制材料的纳米尺寸、比表面积、形貌（如纳米颗粒、纳米线、纳米管、薄膜、多孔结构等），增加活性位点，提高载流子扩散长度，增强光散射以延长光程。*表面改性：通过表面沉积、表面官能团修饰等手段，降低反应过电位，提供更多的活性位点，或选择性地吸附反应物/中间体，加速反应速率。*复合材料构建：将半导体与金属、其他半导体或导体复合，形成异质结或复合结构，利用协同效应提高电荷分离效率和催化活性。*稳定性提升：通过表面包覆、缺陷工程等方法提高光催化剂在光照、电解液腐蚀等条件下的化学稳定性和光稳定性。**解析思路：*要求列举并简要说明提高光催化性能的主要改性策略，覆盖光学、电子、结构、表面、复合材料、稳定性等多个方面。四、论述题1.光生电子-空穴对分离效率低是限制光催化水分解制氢效率的关键因素之一。这是因为一旦电子和空穴在半导体内部产生，它们就会受到库仑力的吸引而倾向于复合，而不是迁移到表面参与水分解反应。高效的电荷分离意味着尽可能多的电子-空穴对能够成功迁移到材料表面，分别参与还原水和氧化水的半反应。然而，在实际的半导体材料中，由于存在各种内在缺陷（如晶格畸变、杂质能级）、表面态以及材料的体相和表面性质，电子和空穴的迁移过程会遇到阻碍，或者在迁移过程中发生复合。这种复合过程不仅消耗了输入的光能，没有转化为化学能（氢气），还降低了光催化反应的量子效率。因此，提高光生电子-空穴对分离效率是提升光催化制氢性能的核心任务。提高分离效率的主要策略包括：构建具有合适内建电场的异质结结构，使电子和空穴倾向于向相反方向迁移；通过能带工程（如元素掺杂、缺陷调控）调节能带位置，优化电荷分离动力学；增大半导体的光生载流子扩散长度，减少复合中心的影响；采用具有高表面积和良好导电性的材料或结构，促进载流子快速到达表面。综合运用这些策略可以有效抑制复合，提高电荷分离和利用效率，从而显著提升光催化制氢性能。**解析思路：*首先点明问题的重要性（核心限制因素），然后解释低分离效率的物理原因（库仑吸引、迁移阻碍、复合发生），阐述其负面影响（能量浪费、低量子效率），最后详细论述并分类说明提高分离效率的关键策略及其原理。2.当前光催化水分解制氢技术面临的主要挑战包括：*光吸收效率低：大多数宽带隙半导体（如常用TiO₂）主要吸收紫外光，而紫外光仅占太阳光谱的约5%，限制了光能的有效利用。拓宽光吸收范围至可见光及近红外区是重要挑战。*光生载流子分离与传输效率低：电子-空穴对在产生后易快速复合，到达表面的载流子比例低，导致量子效率不高。*反应过电位高：水分解反应本身需要较高的过电位才能进行，导致需要更高的激发能或更低的温度，降低了反应速率和能量利用率。*催化剂的稳定性差：光照、电解液环境（酸、碱、氧化还原）等可能导致催化剂表面结构破坏、活性组分流失或化学性质改变，影响长期运行性能。*量子效率不高：综合上述因素，实际光催化制氢系统的量子效率通常仍然较低，距离实际应用要求有较大差距。*成本与规模化问题：高性能光催化剂的制备成本可能较高，且将实验室研究成果转化为低成本、长寿命、高效率的大规模光催化反应器仍面临技术和经济上的挑战。*产物分离与收集：在液相电解池中，产生的氢气和氧气需要与电解液和催化剂分离，这增加了系统复杂性并可能降低效率。应对这些挑战的潜在技术途径或研究方向包括：*开发新型高效光催化剂：研究具有窄带隙、优异可见光吸收能力、宽带隙材料与助剂复合、或具有特殊能带结构的杂化材料、金属有机框架（MOFs）等。*构建高效电荷分离与传输结构：设计异质结、梯度能带结构、纳米阵列、多孔结构等，延长载流子寿命，促进其快速迁移至反应表面。*降低反应过电位：通过表面改性（如贵金属沉积、非金属掺杂、缺陷工程）或构建高效电催化剂/光催化剂协同体系来降低HER和OER的过电位。*提高催化剂稳定性：通过表面包覆、核壳结构设计、引入稳定基团等方法提高材料在苛刻条件下的稳定性。*