2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程中的环境能源利用

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程中的环境能源利用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.在光催化水分解制氢过程中，半导体材料的禁带宽度主要影响（）。A.光吸收范围B.载流子迁移率C.表面反应活性D.能带位置2.锂离子电池中，正极材料通常发生（）。A.氧化反应B.还原反应C.酸碱中和D.钝化反应3.提高太阳能电池效率的关键途径之一是（）。A.增大电池面积B.降低光吸收系数C.增强载流子复合D.提高材料的开路电压4.热电材料工作时，将热能直接转化为电能的物理基础是（）。A.电阻效应B.热传导C.塞贝克效应D.焦耳效应5.用于电化学储能的超级电容器，其储能原理主要依赖于（）。A.酸碱中和B.双电层电容C.铁电相变D.氧化还原反应6.下列哪种材料通常被认为是一种高效的光催化剂？（）A.金属铝B.金刚石C.氧化石墨烯D.二氧化钛7.在CO₂还原反应中，使用贵金属催化剂（如Ru、Rh）的主要优势是（）。A.选择性好B.价格低廉C.稳定性高D.活性低8.分子设计中，通过调控分子的（）可以改变其光学吸收特性？A.立体化学B.共轭结构C.原子组成D.分子量9.将生物质中的糖类转化为乙醇，通常涉及（）。A.光催化氧化B.均相酸催化C.生物酶催化D.热解反应10.对于环境能源利用技术，材料的（）是其性能的关键决定因素。A.成本B.稳定性C.可加工性D.A和B和C都是二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填入横线上）1.分子筛在环境能源领域可用于______和______等分离过程。2.提高太阳能电池的开路电压，需要增大材料的______。3.锂离子电池中，锂离子在电极材料中的嵌入/脱嵌过程通常伴随着______的变化。4.塞贝克系数是衡量热电材料______的物理量。5.光催化反应通常需要光照提供______，并需要在材料表面发生______。6.设计高效电催化剂时，需要关注其______、______和稳定性。7.生物质能的利用方式主要包括______、______和直接燃烧。8.将环境中的温差能转化为电能的技术称为______。9.分子印迹技术可以用于制备具有特定______的传感材料或催化剂。10.环境能源利用研究的重要目标是提高能源转换效率并降低______。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述光生伏特效应的基本过程。2.比较锂离子电池和铅酸电池在储能原理和材料方面的主要差异。3.简述分子设计在开发新型环境能源材料中的重要作用。四、计算题（共10分）某太阳能电池的光电转换效率为15%，其工作在标准测试条件下，输入功率密度为1000W/m²。假设电池的填充因子为0.8。请计算该太阳能电池的短路电流密度（单位：A/cm²）和开路电压（单位：V）。已知该电池的禁带宽度为1.34eV。五、论述题（共15分）论述分子尺度工程（如纳米结构设计、缺陷调控等）如何影响环境能源材料的性能，并举例说明其在提高太阳能电池效率、电催化剂活性等方面的应用潜力。试卷答案一、选择题1.A2.B3.D4.C5.B6.D7.A8.B9.C10.D二、填空题1.气体分离，液体分离2.禁带宽度3.结构（或晶格）4.能量转换效率5.能量（或光子能量），表面反应6.活性，选择性7.生物燃料，生物质基化学品8.温差发电（或热电转换）9.选择性（或特定识别）10.成本三、简答题1.解析思路：光生伏特效应始于半导体材料吸收光子，产生电子-空穴对。由于内建电场作用，电子和空穴被分离并分别向相反方向迁移，形成光电流。在器件结构中，迁移到不同电极的载流子被外部电路收集，形成电压和电流输出。2.解析思路：锂离子电池基于锂离子在正负极材料中的可逆嵌入/脱嵌，发生氧化还原反应实现充放电。铅酸电池基于铅及其氧化物在硫酸电解液中的可逆氧化还原反应。材料方面，锂离子电池电压高、能量密度大，正极材料多为过渡金属氧化物，负极材料为锂合金或石墨；铅酸电池电压低、技术成熟、成本低，正负极材料分别为二氧化铅和铅。3.解析思路：分子设计允许研究者从原子/分子层面出发，通过精确调控分子的结构、组成和功能单元，来定制材料的光、电、磁、催化等性能，以满足特定环境能源应用的需求。例如，设计具有特定能带结构的半导体光催化剂以提高光响应范围和光生载流子分离效率；设计具有高表面积和特定活性位点的纳米结构电催化剂以提升电化学活性。四、计算题解析思路：光电转换效率η=(P_max/P_in)×FF，其中P_max是最大输出功率，P_in是输入功率密度，FF是填充因子。P_max=V_oc×I_sc。因此，η=(V_oc×I_sc/P_in)×FF。所以，I_sc=η×P_in/(V_oc×FF)。开路电压V_oc近似等于短路电流密度J_sc乘以理想因子n（通常接近1）或直接考虑为电池的电压输出。在本题中，假设理想因子为1，则V_oc≈0.7V（常见硅电池值，题目未给，需根据禁带宽度估算或假设）。或者使用公式η=(q×μ_n×μ_p×N_c×N_v/4h)×(e×a²/L²)，其中参数较多，简化计算需假设。更直接的方法是利用η=(J_sc×V_oc)/(2×P_in×FF)×FF，则V_oc=2×η×P_in/J_sc。此处采用P_max=V_oc×I_sc，η=P_max/P_in，代入得I_sc=η×P_in/V_oc。已知η=0.15,P_in=1000W/m²=0.1W/cm²,FF=0.8。假设V_oc≈0.7V(或根据公式估算V_oc≈n×E_g/q≈1.34eV/1.6eV≈0.84V)。若取V_oc=0.7V:I_sc=0.15×0.1/0.7=0.0214W/0.7V=0.0306A=30.6mA/cm²。若取V_oc=0.84V:I_sc=0.15×0.1/0.84=0.015W/0.84V=0.0179A=17.9mA/cm²。题目未给V_oc，此处选用一个常见值进行计算示范，结果以A/cm²为单位。假设计算结果为30.6mA/cm²。答案：短路电流密度J_sc≈30.6mA/cm²。开路电压V_oc≈0.7V。五、论述题解析思路：分子尺度工程通过在纳米尺度上精确控制材料的结构、尺寸、形貌、缺陷和表面化学等，可以显著调控其电子结构、表面能、比表面积和催化活性位点等，从而影响环境能源材料的性能。例如，减小纳米颗粒尺寸可以增大比表面积，暴露更多活性位点，提高催化活性（如析氢反应）；通过表面修饰或缺陷工程可以调节半导体光催化剂的能带位置，优化光生载流子的分离效率；设计具有特定空间结构的分子筛或多