2025年大学《能源化学》专业题库- 化学固体催化剂对能源的影响

2025年大学《能源化学》专业题库——化学固体催化剂对能源的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在题干后的括号内）1.下列哪一项不属于固体催化剂的组成部分？A.活性组分B.载体C.助催化剂D.反应物2.在固体催化剂表面，反应物分子吸附后，其化学键发生的变化主要是：A.从非极性键变为极性键B.键能增大C.键长缩短D.从共价键变为离子键3.对于电催化剂，描述其“高选择性”通常意味着：A.反应速率快B.能使目标产物生成，同时抑制副产物C.稳定性好D.活性组分含量高4.下列哪种制备方法通常难以获得高比表面积的催化剂？A.沉淀法B.溶胶-凝胶法C.浸渍法D.水热法5.X射线衍射（XRD）技术主要用于分析固体催化剂的：A.比表面积和孔结构B.表面元素组成和化学态C.微观晶体结构和物相组成D.电子结构和化学键6.在燃料电池中，常用的氧还原反应（ORR）非贵金属催化剂中，属于过渡金属氧化物的是：A.PtC.RuB.Co₃O₄D.Au7.CO₂电还原制取化学品，为了提高选择性得到特定产物（如甲酸盐），通常需要：A.使用酸性电解液B.优化电极材料C.控制较低的电流密度D.以上都需要8.催化剂的“抗中毒性”是指：A.催化剂在高温下保持稳定B.催化剂不易被反应物或杂质覆盖而失活C.催化剂具有良好的导电性D.催化剂可以承受机械磨损9.光催化水分解制氢，催化剂需要具备的关键性质之一是：A.高的热稳定性B.能吸收可见光C.具有合适的能带结构D.高的比表面积10.下列哪个过程主要利用光能驱动化学反应，而传统催化过程通常不涉及光能？A.催化剂载体的表面吸附B.催化反应的决速步骤C.光催化反应D.催化剂的表面脱附二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.固体催化剂的活性通常与其表面______密切相关，活性位点是发生催化反应的关键场所。2.在CO₂电还原反应中，通过调节电解液pH值可以影响催化剂的______和选择性。3.金属有机框架（MOFs）材料作为催化剂或载体，其突出的优点之一是具有高度可调的______和孔道结构。4.催化剂的稳定性包括______稳定性和热稳定性两个方面。5.水的析出反应（HER）是水电解制氢的关键步骤之一，贵金属Pt是常用的高效HER催化剂，但其主要缺点是______。6.为了提高固体催化剂的分散性，常常需要使用______作为载体。7.催化剂的比表面积是指单位质量催化剂所具有的______，常用BET方法进行测定。8.基于密度泛函理论（DFT）的计算模拟可以在原子尺度上研究催化剂的______和反应机理。9.原子经济性是衡量化学反应绿色程度的重要指标，高效的催化反应应追求______。10.在工业应用中，固体催化剂的______（如机械强度、抗热冲击性）对其寿命和可靠性至关重要。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述固体催化剂的活性、选择性和稳定性这三个核心性能指标及其相互关系。2.简要解释什么是催化剂的“中毒”，并举例说明化学吸附型中毒和物理吸附型中毒的区别。3.简述浸渍法（ImpregnationMethod）制备负载型催化剂的基本步骤及其优点。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述固体催化剂在电化学储能（如燃料电池、电化学储能电池）中的应用意义，并分析其面临的主要挑战。2.以CO₂电还原制化学品或燃料为例，论述设计高效、高选择性催化剂时需要考虑的关键科学问题和实际应用因素。试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.A5.C6.B7.D8.B9.C10.C二、填空题1.活性位点2.活性3.比表面积4.结构5.成本高、资源稀缺6.载体7.表面积8.构效关系9.高原子经济性10.抗attrition三、简答题1.答案：活性是指催化剂加速化学反应速率的能力，通常用单位时间内生成物或消耗物的量来衡量。选择性是指催化剂在促进目标反应的同时，抑制副反应发生的能力，体现为特定产物生成的比例。稳定性是指催化剂在长时间、高温、高压或与其他物质接触等条件下，其结构和性能保持不变的能力。三者关系：理想的催化剂应具备高活性、高选择性且长期稳定。活性是基础，选择性决定产物，稳定性是保障催化剂能持续有效工作。解析思路：问题要求分别解释三个核心指标的定义，并阐述它们之间的相互关系。定义需简洁准确，关系需突出其内在联系和重要性。高活性是效率，高选择性是目标，高稳定性是持久性。2.答案：催化剂中毒是指催化剂的活性显著降低甚至完全丧失的现象。化学吸附型中毒是指毒物分子与催化剂活性位点发生强烈的化学键合（如共价键），生成了稳定的无毒或低活性的表面物种，难以脱附，从而堵塞了活性位点或改变了表面电子结构，如CO中毒Pt催化剂。物理吸附型中毒是指毒物分子通过范德华力弱吸附在催化剂表面，虽然不改变活性位点本身，但覆盖了部分活性位点，减少了有效活性面积，如硫醇类物质对金属催化剂的毒化。解析思路：首先给出中毒的定义。然后区分两种主要类型，关键在于解释其作用机制的不同：化学吸附是强键合导致活性位点和/或表面性质改变，物理吸附是弱吸附导致活性位点覆盖。需举例说明。3.答案：浸渍法的基本步骤：将含有活性组分前驱体的溶液（或悬浮液）浸渍到多孔载体（如活性炭、硅胶、氧化铝）的孔隙中，干燥后，通过热处理等方式使前驱体转化为活性组分，并负载在载体表面。优点：操作简单、成本低廉、适用于多种载体和活性组分、易于制备多相催化剂。解析思路：清晰列出操作步骤，从浸渍溶液到最终催化剂。然后总结其优点，通常从操作、成本、适用性和结果（多相催化）等方面考虑。四、论述题1.答案：固体催化剂在电化学储能中的应用意义在于：提高电化学反应（如氧还原、析氢、析氧、二氧化碳还原）的速率和效率，降低过电位，从而提升储能装置（如燃料电池、水电解槽、电化学储能电池）的性能、功率密度和能量密度，降低运行成本，延长使用寿命。面临的挑战包括：寻找兼具高活性、高选择性、高稳定性（抗腐蚀、抗poisoning、长期循环稳定性）且成本低的非贵金属催化剂；提高催化剂的本征活性和本征选择性（而非依赖高载量）；优化催化剂与电极、电解质之间的界面相容性；实现催化剂的精准设计、可控合成与结构调控；催化剂的规模化制备、表征与集成应用。解析思路：先阐述应用意义，从提升电化学性能、装置效率和经济性角度说明。再重点论述挑战，从催化剂本身的性能要求（活性、选择性、稳定性、成本）、催化剂-电极-电解质界面、合成与表征技术、规模化应用等多个维度进行分析。2.答案：设计CO₂电还原高效、高选择性催化剂需考虑的关键科学问题：1)深入理解不同催化剂的活性位点结构、电子性质与其催化不同中间体（如*CO₂*,*CO*,*CHO*,*OH*,*H₂O*)吸附能和反应路径的关系。2)揭示构效关系，如何通过调控催化剂的组成、结构（如原子级精度）、形貌、缺陷等来精确调控反应路径和产物选择性。3)理解催化剂在苛刻电化学环境下的稳定性机制及失活原因。实际应用因素：1)催化剂必须在阴极电位窗口内对目标反应（如产甲酸盐、甲醇）具有高活性，对副反应（如产H₂）有低活性。2)催化剂需具备良好的导电性以利于电荷转移。3)催化剂应化学稳定、电化学稳定，耐电解液腐蚀和长期运行。4)催化剂的制备