2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 利用分子设计提高材料的导电性

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——利用分子设计提高材料的导电性考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.有机半导体材料的导电性主要依赖于（）。A.离子键的强度B.金属键的存在C.π电子离域形成的能带结构D.分子间氢键的数量2.为了提高聚苯胺的导电性，通常采取的策略之一是（）。A.增加苯环上的取代基体积B.引入强吸电子基团（如-CN）C.降低分子链的规整性D.减少分子链的长度3.在设计用于有机太阳能电池的给体材料时，通常需要考虑其具有（）。A.较宽的禁带宽度B.与受体材料具有相似的能级C.很高的结晶度D.极强的荧光发射4.下列哪种相互作用不利于形成具有良好导电性的分子堆积？（）A.π-π堆叠B.氢键C.离子-偶极相互作用D.非键范德华力5.影响有机半导体材料载流子迁移率的关键因素之一是（）。A.分子量大小B.晶体缺陷密度C.溶剂极性D.材料的密度6.MOFs材料之所以可能具有导电性，关键在于其结构中存在（）。A.有机连接体B.金属节点C.空隙D.自由移动的电子或离子7.提高导电聚合物分子链规整性的主要目的是（）。A.增加分子量B.提高溶解度C.促进形成有序的π-π堆积，增强电子迁移通道D.增强材料的机械强度8.在利用分子设计提高材料导电性的研究中，计算化学方法主要可以用来（）。A.直接制备材料B.表征材料结构C.预测分子结构、能级和电子性质，指导实验设计D.控制材料的制备条件9.下列哪种材料通常被认为属于混合导体？（）A.石墨烯B.聚苯胺C.硫化镉量子点D.银纳米线/聚合物复合材料10.设计具有高导电性的柔性电子材料时，需要特别关注其（）。A.高熔点B.高硬度C.良好的机械柔韧性和环境稳定性D.高化学惰性二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填写在横线上）1.有机材料导电性通常分为______、______和______三种类型。2.导电聚合物通常通过______或______的方法进行合成。3.影响有机半导体能带结构的关键参数是分子链的______和______。4.设计有机太阳能电池材料时，给体和受体材料的______匹配至关重要。5.利用______或______等非共价键相互作用是调控有机分子堆积和导电性的重要策略。6.MOFs材料的导电性通常与其金属节点的______和孔道内的______有关。7.提高有机材料导电性的“共轭效应”主要指______的形成和扩展。8.表征有机材料导电性的常用宏观方法是______，微观结构常用的表征技术有______和______。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述π-π电子离域对有机半导体材料导电性的贡献。2.简述引入给体-受体单元设计用于有机光伏材料的基本原理。3.简述溶液法（如旋涂、喷涂）制备导电薄膜时，溶液浓度、溶剂选择等因素可能如何影响薄膜的导电性。4.简述影响导电聚合物导电性的主要因素有哪些。四、论述题（每题12分，共24分。请结合所学知识，深入分析和回答下列问题）1.以一种具体的导电聚合物（如聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩）为例，详细阐述通过分子结构设计（引入特定取代基、改变主链结构等）和/或自组装策略来调控其导电性的思路、原理和可能遇到的挑战。2.结合有机电子器件（如OFET、OLED）的应用需求，论述在设计高效有机导电材料时，除了导电性之外，还需要考虑哪些关键性能？并说明这些性能与分子设计之间的关系。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.C5.B6.D7.C8.C9.D10.C二、填空题1.本征导电，杂质导电，复合导电2.偶联反应，氧化聚合3.长度，规整性4.能级5.氢键，π-π作用6.电导率，电子传输通道7.跨域π键8.四探针法，X射线衍射，扫描电子显微镜三、简答题1.解析思路：阐述π电子离域形成大π键体系，使得电子可以在整个共轭体系中自由移动，降低了电子传输的能垒，形成了导带，从而表现出导电性。2.解析思路：说明给体和受体材料通过分子设计形成有序的异质结结构，在界面处产生内建电场，促进电荷的分离和传输，提高光生电荷的利用效率，从而提升光伏器件性能。3.解析思路：分析溶液浓度影响薄膜的结晶度（高浓度可能促进结晶，低浓度可能形成无定形态），溶剂极性影响分子间作用力（影响自组装和结晶），而这些因素都直接关系到最终的晶粒尺寸、缺陷密度和堆砌有序性，进而影响电子迁移率。4.解析思路：从分子链维度（长度、规整性、侧基影响）、分子间维度（堆积方式、缺陷密度、晶粒尺寸）和化学维度（氧化态、掺杂）等方面阐述影响导电性的因素。四、论述题1.解析思路：首先明确所选导电聚合物的基本结构特征和导电性来源。然后详细说明可以通过引入何种类型的取代基（如强吸电子基、给电子基、柔性基团、支链）来调控其氧化还原电位、能级结构、链的规整性和堆积。接着说明可以通过改变主链结构（如引入杂原子、稠环结构）来影响π电子离域程度和分子间作用力。再阐述自组装策略（如形成纳米线、纳米带、超薄层）如何通过增大长度、减少弯曲、改善有序性来提高导电性。最后可以提及实际应用中可能遇到的挑战，如稳定性、加工性、与基底的界面接触等。2.解析思路：首先明确有机电子器件（OFET、OLED）的工作原理对材料性能的要求（如OFET需要高迁移率、良好开关比；OLED需要高空穴/电子迁移率、高电荷产生效率、长寿命）。然后从导电性、能级匹配（HOMO/LUMO）、光学性质（吸收/发射光谱）、热稳定性、化学稳定性、机械柔韧性、加工性能（溶液可加工性）