2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程中的减碳技术研究

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程中的减碳技术研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题6分，共30分）1.请简述温室效应的基本原理，并列举三种在分子层面影响温室效应的关键气体。2.分子催化剂在多相催化过程中扮演着重要角色，请阐述分子催化剂相比传统无机催化剂在可调控性、选择性以及活性方面可能具有的优势。3.设计一种新型光催化材料用于可见光驱动的CO2还原反应，需要考虑哪些关键的分子或材料结构参数？请说明理由。4.碳捕获与封存（CCS）技术是减少大气中CO2浓度的潜在途径之一。请简述利用固体吸附材料进行CO2捕获的基本原理，并说明选择吸附材料时需要考虑的关键性能指标。5.结合分子设计与构建的理念，简述如何利用生物酶或工程微生物实现生物质的高效转化用于减碳目标。二、论述题（每题10分，共20分）6.论述利用分子工程手段提升太阳能电池效率的潜在途径，并分析其中可能面临的关键科学挑战。7.谈谈你对“人工光合作用”作为未来可持续能源和碳管理技术潜力的看法，并分析实现大规模应用可能需要克服的技术瓶颈。三、分析题（每题10分，共20分）8.某研究团队报道了一种基于金属有机框架（MOF）材料的新型CO2捕获系统，该材料在特定条件下表现出优异的CO2吸附选择性和稳定性。请分析该MOF材料的设计可能涉及哪些分子层面的策略，以实现对其CO2捕获性能的有效调控。9.比较燃料电池和传统的内燃机在能量转换效率和环境友好性方面的差异，并从分子科学与工程的角度，探讨提升燃料电池性能的关键研究方向。试卷答案一、简答题1.答案：温室效应是指地球大气层中的某些气体（温室气体）吸收并重新辐射红外线，从而导致地球表面温度升高的现象。这些气体允许太阳短波辐射到达地表，但阻止部分地表发出的长波辐射（红外线）散失到太空。分子层面影响温室效应的关键气体主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氟利昂（CFCs）和水蒸气（H2O）等。解析思路：首先要回答温室效应的基本物理机制，即特定气体对太阳辐射的选择性透过和对地球自身辐射的吸收。然后列举典型的温室气体，并强调CO2、CH4、N2O、CFCs是人为排放或影响较大的气体，同时不能忽略水蒸气本身的重要作用。问题要求分子层面，因此关注具体分子种类是关键。2.答案：分子催化剂相比传统无机催化剂的优势在于：①可调控性强：可以通过改变分子结构（如配体、金属中心）来精确调控催化剂的活性位点、电子结构、空间构型等，从而调控其催化活性、选择性和稳定性；②选择性高：分子层面的精细设计使得催化剂能够对特定反应物或反应路径具有更高的选择性，减少副反应；③活性可调：通过分子设计可以方便地调节反应活化能，提高催化活性；④潜在的可回收性：部分分子催化剂（如基于有机金属配合物或酶）可能更容易从反应体系中分离和回收利用。解析思路：核心是比较两类催化剂在分子层面的设计自由度和产生的效果差异。围绕“可调控性”、“选择性”、“活性”这几个关键性能展开，说明分子设计如何实现这些性能的优化。同时提及可回收性也是一个潜在优势。3.答案：设计可见光驱动的CO2还原反应（CO2RR）光催化材料时，需要考虑的关键分子或材料结构参数包括：①光吸收范围：材料必须能够有效吸收可见光（波长通常大于400-500nm），这取决于其带隙大小和吸收边。②电子结构：材料的能带结构（导带和价带位置）决定了其光生电子和空穴的氧化还原能力，需要能提供足够的能量激发CO2并驱动还原反应。③表面态和活性位点：材料表面需要存在适合CO2吸附和活化的活性位点，这些位点的电子结构、几何构型对反应路径和选择性至关重要。④电荷分离效率：光生电子和空穴的有效分离是关键，需要抑制它们的复合。⑤稳定性：材料在光照、化学环境（如反应气氛）下应具有足够的稳定性。⑥比表面积和形貌：较大的比表面积可以提供更多的活性位点。解析思路：这个问题要求从分子设计角度出发，列出设计光催化剂时需要权衡的关键结构参数。将这些参数与光催化CO2RR的核心需求（吸收光、产生有效载流子、提供活性位点、分离载流子、保持稳定）一一对应，解释每个参数的重要性。4.答案：利用固体吸附材料进行CO2捕获的基本原理是利用吸附剂表面的特定官能团或结构特征与CO2分子之间发生物理吸附或化学吸附作用，从而将CO2从气相主体转移到固体表面或内部孔隙中。选择吸附材料时需要考虑的关键性能指标包括：①高CO2吸附容量：单位质量或单位体积吸附剂能够吸附的CO2量。②高选择性：对CO2的吸附能力远强于对其他共存气体（如N2,Ar,H2,CH4等）的吸附能力。③合适的吸附温度和压力：吸附剂应在接近环境温度和压力下工作，以便于CO2的解吸和循环利用。④良好的热稳定性和化学稳定性：在吸附和解吸循环以及实际应用环境中保持结构和性能稳定。⑤合适的孔结构：孔径大小和分布应有利于CO2分子进入活性位点，同时阻止其他干扰气体进入。⑥低密度和低成本：有利于降低应用成本。⑦易于再生：吸附饱和后能够通过简单易行的方法（如改变压力、温度）脱附CO2。解析思路：首先解释吸附捕获的原理，即分子间作用力。然后围绕选择材料的核心目标——高效分离CO2——列举所需的关键性能指标，并简要说明每个指标的具体含义和重要性。5.答案：利用分子设计与构建理念实现生物质高效转化，可以从以下几个方面入手：①酶分子工程：通过蛋白质工程改造或设计酶的活性位点、底物结合位点，提高其对特定生物质底物（如cellobiose,lignin酪素）的催化活性、选择性或稳定性，或赋予其催化新反应的能力。②人工设计代谢途径：通过基因工程构建或改造微生物的代谢网络，引入新的酶促反应，将非糖类生物质组分（如木质素衍生物）转化为有价值的化学品或燃料前体。③分子印迹技术：设计具有特定识别位点的分子印迹聚合物，用于选择性吸附或催化转化目标生物质衍生物。④核苷酸类似物催化：设计和筛选具有生物质转化活性的核苷酸类似物催化剂，模拟或增强天然酶的功能。⑤构建仿生系统：模拟自然界中生物转化生物质的高效系统，设计分子机器或超分子组装体，协同实现生物质降解和转化。解析思路：问题要求从“分子设计与构建”角度出发，需要发散思维，联想到分子层面的各种设计和构建手段。围绕酶、微生物代谢、材料科学、化学催化等方面，列举能够应用于生物质转化并能体现“分子设计”思想的具体策略。二、论述题6.答案：利用分子工程手段提升太阳能电池效率的途径主要包括：①材料分子设计：设计具有更窄或更宽带隙、适合特定光谱区域吸收的光敏材料；通过分子修饰改变材料的能级结构，促进电荷分离和传输；引入给体-受体超分子结构，调控激子解离和电荷传输；设计具有高效光吸收和电荷产生能力的分子结构。②活性层形貌调控：通过分子自组装或外场诱导，精确控制活性层薄膜的结晶度、相分离结构、纳米形貌（如核壳结构、多孔结构），以优化激子扩散长度、电荷传输路径和界面电荷转移效率。③界面工程：设计具有特定分子结构和电子特性的界面层分子，优化能级匹配，抑制电荷复合，促进电荷的有效提取。④催化剂分子设计：在光阳极或光阴极表面设计高效的分子或纳米结构催化剂，促进光生电荷的快速转移和电化学反应的进行。分子工程通过在原子和分子尺度上精确设计、构建和调控材料结构，有望显著提升太阳能电池的光吸收效率、电荷产生与分离效率、电荷传输效率和界面电荷转换效率，最终提高电池的整体能量转换效率。解析思路：首先点明分子工程在提升太阳能电池效率中的核心作用是“精确设计、构建和调控”。然后从材料本身、材料形貌、界面、催化四个关键环节展开，详细阐述分子工程如何通过具体的技术手段（如分子设计、自组装、界面层设计、催化剂设计）影响电池的性能参数（光吸收、电荷分离、传输、复合、反应），并最终导向效率提升。7.答案：人工光合作用被视为一种极具潜力的可持续能源和碳管理技术，其潜力在于：①直接利用太阳能：模拟自然光合作用，将太阳能转化为化学能（如葡萄糖、氢气），实现清洁、可持续的能源存储和供应。②固定大气CO2：直接利用CO2作为碳源进行有机物合成，有助于缓解温室效应，同时生产有价值的化学品和燃料。③提供可持续燃料和化学品：有望替代化石燃料，提供环境友好的能源和材料来源。④多功能集成：可以将CO2还原与其他生物或化学过程耦合，实现多目标协同。然而，实现大规模应用面临诸多技术瓶颈：①光能效率低：人工系统捕获和利用太阳光能的效率远低于自然光合作用。②CO2转化效率低：将CO2高效转化为复杂有机物的选择性、化学计量比控制难度大，转化效率有待提高。③催化剂性能不足：缺乏高效、稳定、低成本且对CO2具有高选择性的催化剂。④反应条件苛刻：通常需要在高温高压或特殊光环境下进行，不利于实际大规模应用。⑤系统稳定性与寿命：人工光合作用系统（特别是生物化学混合系统）的长期稳定性和操作寿命需要提升。⑥经济成本高：目前的技术路线经济性尚不竞争力。克服这些瓶颈需要多学科交叉的深入研究和持续的技术创新。解析思路：首先肯定人工光合作用的潜力，从其基本原理（利用光能固定CO2）出发，阐述其对能源、环境和化学品的积极意义。接着，从技术实现的角度，分析当前面临的重大挑战，包括效率、催化剂、反应条件、稳定性、成本等方面，并简要说明这些挑战的内涵。最后，可以强调需要多学科合作和持续创新来突破瓶颈。三、分析题8.答案：设计MOF材料以实现优异的CO2捕获性能，可能涉及以下分子层面的策略：①选择合适的金属节点：不同金属离子（如Zn²⁺,Co²⁺,Mg²⁺,In³⁺等）具有不同的电荷密度和配位特性，影响其对CO2的亲和力。②设计功能化的配体：在配体（如有机酸、胺类）上引入对CO2具有强吸附作用的官能团（如羧基、吡啶环、氮杂环），通过配位作用或范德华力增强对CO2的化学吸附或物理吸附。③调控孔道尺寸和拓扑结构：设计具有特定孔径大小和形状的孔道结构，实现对CO2分子（相对于其他气体分子）的尺寸选择性吸附。④构建开放金属位点：保留MOF框架中的开放金属配位点，这些位点可以作为CO2的活性位点，参与化学吸附甚至催化转化过程。⑤调节孔道环境：通过选择合适的配体和金属，调控孔道内的电子环境、pH值等，影响CO2的吸附行为和稳定性。⑥表面修饰或缺陷工程：在MOF表面进行原子级或分子级的修饰，或人为引入缺陷，以创造特定的吸附活性中心或调节表面性质。通过这些分子层面的精巧设计，可以实现对MOFCO2吸附性能（容量、选择性、吸附速率、稳定性）的有效调控。解析思路：首先明确MOF材料的构成（金属节点和配体）。然后从影响CO2吸附性能的关键因素出发，逐一分析可以通过“分子层面设计”调控的方面，如金属种类、配体功能基团、孔道结构、开放金属位点、孔道环境、表面性质等。每个策略都需要解释其作用机制以及如何影响CO2的吸附行为。9.答案：燃料电池与传统的内燃机在能量转换效率和环境友好性方面存在显著差异：①能量转换效率：燃料电池直接将化学能转化为电能，能量转换效率通常较高（可达60%以上），能量损失主要发生在电化学反应中。内燃机通过燃烧过程将化学能转化为热能，再通过热机循环将热能转化为机械能，能量转换效率相对较低（通常在30%-40%），且存在大量的热能损失和摩擦损失。②环境友好性：燃料电池的化学反应产物主要是水（质子交换膜燃料电池）或水蒸气（固体氧化物燃料电池），不产生NOx、SOx、颗粒物等传统内燃机排放的污染物。内燃机燃烧化石燃料会产生CO2、NOx、SOx、碳氢化合物、颗粒物等多种污染物，是空气污染和温室效应的重要来源。从分子科学与工程角度，提升燃料电池性能的关键研究方向包括：①催化剂：开发更高活性、更高选择性、更稳定、成本更低的催化剂（如质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应催化剂，固体氧化物燃料电池的阳极燃料氧化反应催化剂），通常需要关注催化剂的活性位点电子结构、表面态、与电解质的界面匹配等。②电解质：开发更高离子电导率、更好化学稳定性和机械稳定性的电解质材料（如固态氧化物、质子交换膜、固体电解质膜），优化离子传输过程。③电极结构：通过纳米结构设计、多孔材料应用、界面工程等手段，增大电极反应表面积，缩短电荷传输路径，提高电极的催化活性和电子/离子传导性能