2025年大学《应用化学》专业题库- 新型能源材料设计与应用

2025年大学《应用化学》专业题库——新型能源材料设计与应用考试时间：______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.在设计高效钙钛矿太阳能电池时，为了增大光吸收范围并减少复合，常采用的策略之一是引入缺陷工程，以下哪种缺陷引入方式通常不利于提高开路电压（Voc）？（）A.引入浅能级杂质以作为复合中心B.通过后处理引入表面缺陷态C.形成晶格应变以调谐带隙D.引入能级位于导带底的缺陷态2.对于锂离子电池，正极材料LiCoO2的工作电压通常在3.9-4.2V（vs.Li/Li+），其放电过程涉及锂离子脱嵌。下列关于其脱锂过程的描述，哪一项是错误的？（）A.放电过程中，Li+从LiCoO2晶格中移出B.Co的氧化态在放电过程中升高C.LiCoO2的晶格结构在放电过程中基本保持不变D.放电产物是CoO2和Li2O3.染料敏化太阳能电池（DSSC）的核心组件包括染料分子、半导体纳米颗粒、电解质和导电基底。其中，染料分子的主要作用是？（）A.提供电子-空穴对复合中心B.作为电荷传输的主要通道C.捕获电解质中的离子D.吸收太阳光并促进光生电子的产生4.在设计用于析氢反应（HER）的非贵金属电催化剂时，以下哪种元素通常被认为对提高催化活性至关重要，但其本身化学性质较活泼？（）A.CuB.CrC.MoD.Ni5.与传统锂离子电池相比，固态电池的主要优势之一是使用了固态电解质。以下关于固态电解质的描述，哪一项是不正确的？（）A.通常具有更高的离子电导率B.可以显著提高电池的安全性能C.对锂金属负极的润湿性较差可能导致界面阻抗增大D.通常由无机聚合物或玻璃陶瓷材料构成6.MOFs（金属有机框架）材料在储能领域展现出应用潜力，例如用作电池电极材料或吸附剂。以下哪种性质不是MOFs材料通常具有的优势？（）A.高比表面积B.结构tunability（可调性）C.稳定的化学性质D.高成本和复杂的合成条件7.光催化水分解制氢过程中，为提高量子效率，关键在于提高光生电子和空穴的分离效率。以下哪种措施不利于实现这一目标？（）A.选择合适的能带结构匹配的光催化剂B.使用助催化剂加速电荷的转移或反应C.增大光催化剂的比表面积以提高光吸收D.在光催化剂表面引入大量的表面缺陷态作为复合中心8.热电材料的工作基于塞贝克效应，其热电优值（ZT）是衡量材料性能的关键参数。ZT=σσT²/κ，其中σ是电导率，σ是热导率，κ是热导率。要提高ZT值，以下哪种策略通常是有效的？（）A.提高电导率σ，同时降低热导率κB.降低电导率σ，同时提高热导率κC.保持电导率σ不变，大幅提高热导率κD.保持热导率κ不变，大幅降低电导率σ9.生物质资源转化为化学能或电能是能源材料领域的重要方向。下列哪种生物质转化过程主要利用了材料的还原性？（）A.生物质气化B.生物质液化C.生物质直接燃烧D.生物质酶解10.在设计和表征新型能源材料时，X射线光电子能谱（XPS）是一种常用的表面分析技术。XPS主要用于测定什么信息？（）A.材料的晶体结构B.材料中的元素组成和化学态C.材料的宏观热导率D.材料的比表面积二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中的横线上）1.太阳能电池的基本工作原理是利用半导体材料的光生伏特效应，将______能直接转化为______能。2.在锂离子电池中，正极材料通常发生______反应，负极材料通常发生______反应。3.提高太阳能电池的光电转换效率的主要途径包括：增加光吸收、提高______、降低______和抑制______。4.催化剂在电催化过程中，通过改变反应______和______，降低反应过电位，从而提高反应速率。5.超级电容器根据储能机制主要分为______电容器和______电容器。6.设计高效能源材料时，除了考虑性能指标外，______和______也是重要因素。7.热电材料的功率因子（S²σ）与______和______有关。8.光催化反应通常需要光催化剂满足的条件包括：具有合适的______、良好的______和稳定性。9.金属有机框架（MOFs）材料是由______和______通过配位键自组装形成的具有周期性网络结构的晶体材料。10.表征材料比表面积常用的方法是______分析。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述提高钙钛矿太阳能电池开路电压（Voc）的常用化学调控方法。2.简述锂离子电池中，石墨负极材料在充放电过程中的结构变化及其对电池性能的影响。3.简述光催化材料在可见光区实现高效光催化的基本要求。四、计算题（共10分）已知某太阳能电池的光电转换效率为15%，其工作电压为0.7V，在标准测试条件下（1000W/m²，AM1.5G光谱）的光照强度下，电池接收到的光功率密度为100mW/cm²。假设电池内部无损，请计算该电池在标准测试条件下的短路电流密度（单位：mA/cm²）。五、论述题（共15分）以固态氧化物燃料电池（SOFC）为例，论述提高其性能（如功率密度、寿命、成本）的关键材料设计与优化方向，并说明这些优化措施背后的基本原理。试卷答案一、选择题1.D2.C3.D4.D5.A6.D7.D8.A9.C10.B二、填空题1.太阳，电2.氧化，还原3.填充因子，串联电阻，复合4.过电位，能垒5.双电层，赝电容6.成本，环境友好性7.电导率，热导率8.能带结构，光稳定性9.金属离子，有机配体10.比表面积三、简答题1.提高钙钛矿材料的离子迁移势垒，使电子-空穴对在复合前有更长时间分离；通过元素掺杂（如硫、硒）或缺陷工程来调节能带位置，增大Voc；优化材料与电极的接触，减少界面接触电阻。2.放电（脱锂）时，石墨的层状结构逐渐膨胀，形成锂插层石墨（LixC6）；充电（嵌锂）时，结构收缩。这种体积变化可能导致电极粉化、循环稳定性差、库仑效率不高。3.光催化剂应具有与可见光（波长>400nm）能量匹配或略低于可见光能量的带隙宽度，以允许光子被有效吸收；应具有合适的能级结构，使光生电子和空穴能够快速分离并转移至电极或反应位点，减少复合；应具有良好的化学稳定性和结构稳定性，以承受反应环境的腐蚀和循环过程中的结构变化。四、计算题解：光电流密度j=光功率密度/电压j=(100mW/cm²)/(0.7V)j=100×10⁻³W/cm²/0.7Vj=100×10⁻³/0.7A/cm²j≈0.143A/cm²将单位换算为mA/cm²：j≈143mA/cm²答：该电池的短路电流密度约为143mA/cm²。五、论述题SOFC性能提升的关键材料设计与优化方向主要包括：1.电解质材料：提高离子电导率是关键。可设计离子导体（如掺杂钇稳定的氧化锆YSZ）具有高离子电导率，或开发新型快离子导体（如镓酸镧LLZO、氧超离子导体）。优化材料纯度、晶粒尺寸和薄膜厚度可显著提高电导率，降低欧姆电阻。2.阳极材料：需要具备高催化活性（促进燃料氧化）、高电子电导率、高离子电导率（特别是氧离子）、良好的抗硫中毒和抗CO₂中毒能力以及优异的抗热震性和结构稳定性。常用材料如镍基合金（Ni-YSZcermet），可通过合金化、表面改性或双层阳极设计等策略进行优化。3.阴极材料：需要具备高电子电导率、高氧离子电导率（或与电解质良好的离子传输匹配）、高催化活性（促进氧还原反应ORR）、优异的结构稳定性和抗积碳能力。常用材料如LSM⁺₋ₓNiOₓ，可通过调整组分、掺杂或复合掺杂（如掺杂镧、锶、铜等）来改善其ORR活性和热稳定性，或采用纳米结构、纤维结构等提高反应表面积和传质效率。4.连接体材料：需要具备高热导率（传递热量）、高电导率（传导电流）、良好的抗氧化性和抗硫腐蚀性。通常采用高温陶瓷材料，如氧化铝（Al₂O₃）或氧化锆（ZrO₂）基陶瓷。5.单电池与电堆设计：优化单