2025年大学《能源化学》专业题库- 绿色能源材料的设计与合成

2025年大学《能源化学》专业题库——绿色能源材料的设计与合成考试时间：______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括号内）1.下列哪类材料不属于典型的绿色能源材料？（）A.钙钛矿太阳能电池材料B.锂铁磷酸盐（LiFePO₄）锂离子电池正极材料C.金属有机框架（MOF）储氢材料D.石墨烯基超级电容器电极材料2.在设计高效可见光催化剂时，通常需要考虑的关键因素之一是材料的（）。A.硬度高B.导电性好C.对可见光波段有强吸收D.稳定性好3.水热合成法通常在哪种环境下进行？（）A.常温常压下B.高温高压下C.真空条件下D.极低温下4.染料敏化太阳能电池（DSSC）的核心部件不包括（）。A.染料分子B.半导体纳米颗粒C.对电极D.聚合物电解质5.下列哪种储能方式主要涉及化学能的存储？（）A.抽水蓄能B.风力发电储能C.锂离子电池D.电容储能6.原子层沉积（ALD）技术的主要优势之一是（）。A.成本低廉B.可在复杂三维结构上均匀沉积C.沉积速率极快D.仅适用于导电材料7.提高锂离子电池正极材料容量，通常可以考虑的策略是（）。A.降低材料的晶格能B.增加材料的电子电导率C.提高材料的离子电导率D.扩大材料的层间距，容纳更多锂离子8.下列哪种方法不属于绿色化学合成路线的优化？（）A.使用可再生原料B.选择环境友好型溶剂C.最大程度回收利用副产物D.增加化学反应步骤以简化产物分离9.X射线衍射（XRD）技术主要用于分析材料的（）。A.化学组成B.微观形貌C.晶体结构D.元素价态10.将生物质中的化学能转化为氢气的核心是（）。A.生物酶的催化作用B.高温气化过程C.纯氧的氧化反应D.电解水技术二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.设计绿色能源材料时，除了追求高效率外，还应特别关注其__________、__________和__________。2.钙钛矿太阳能电池中，通常通过掺杂或表面修饰来调控其__________和__________。3.水热合成中，“水热”的含义是指在水溶液或悬浮液中，在__________和__________条件下进行的化学反应或材料合成。4.储氢材料评价的重要指标包括储氢容量（__________）、放氢温度（__________）和放氢速率（__________）。5.锂离子电池中，电解质的作用是让锂离子在__________和__________之间传递。6.绿色化学的十二项原则中，提倡使用更安全的化学品的第__________项原则。7.固体氧化物燃料电池（SOFC）的核心功能是直接将燃料的化学能转化为__________能。8.表征材料比表面积常用的方法是__________。9.设计高效的光伏材料，需要关注其光吸收范围、__________、__________和稳定性。10.生物质催化转化制取生物燃料，常用的催化剂包括金属催化剂、__________和生物酶。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述“绿色化学”理念在材料合成过程中的具体体现。2.比较锂离子电池中液态电解质和固态电解质的优缺点。3.简述形貌（如纳米颗粒尺寸、比表面积）对材料储能性能（以锂离子电池为例）的影响。4.为什么说CO₂资源化利用是发展绿色能源和实现碳中和的重要途径？请列举至少两种CO₂转化利用的材料或方向。四、论述题（每题10分，共30分。请结合所学知识，阐述下列问题）1.以太阳能电池或储能器件为例，详细阐述材料的设计（包括组成、结构、形貌等）对其关键性能（如效率、容量、寿命）的影响机制。2.论述发展高效、低成本、环境友好的绿色合成方法对于推动绿色能源材料实际应用的重要性。可以结合具体合成技术进行说明。3.面对当前能源转型和可持续发展的挑战，你认为未来绿色能源材料领域面临的主要科学问题和技术瓶颈有哪些？请选择其中一两个问题进行深入探讨。---试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.D5.C6.B7.D8.D9.C10.A二、填空题1.环境友好，可再生，可持续2.光吸收，光生载流子分离与传输3.高温，高压4.重量百分比，室温，快速5.正极，负极6.十三7.电8.比表面积及孔径分析（BET）9.带隙，载流子迁移率10.固体酸碱催化剂三、简答题1.体现：使用可再生原料、设计安全化学过程、提高原子经济性、使用环境友好溶剂、减少废弃物产生、提高能源效率、使用催化剂、设计可降解材料等。2.优点：固态电解质安全性高（不易燃），离子电导率高（尤其室温下），能量密度高。缺点：固态电解质与电极的界面接触电阻通常较大，成本较高，部分材料机械稳定性、耐久性有待提高。液态电解质优点：离子电导率高（尤其高温下），电极与电解质相容性好，工艺相对成熟。缺点：易燃易爆，安全性差，对电极材料有腐蚀性，可能存在溶剂分解。3.形貌影响：纳米颗粒尺寸影响比表面积和电子/离子扩散路径长度，增大比表面积通常有利于提高容量和速率，但尺寸过小可能导致团聚和电化学活性物质不稳定性。形貌（如核壳结构、多级孔结构）可以调控物质传输动力学，改善离子接触和电子收集，从而提升性能。4.途径：CO₂是主要的温室气体，将其转化为有用化学品或燃料，可以减少碳排放，缓解气候变化。材料或方向：如利用CO₂和H₂合成甲醇（CO₂甲醇化），利用CO₂电化学或光化学还原合成碳氢燃料（如甲烷、乙二醇），利用CO₂催化转化合成高分子材料（如PCL）。四、论述题1.例子：太阳能电池（如钙钛矿）。设计影响机制：材料的能带结构决定其光吸收范围和光生载流子产生效率；材料的电子/离子迁移率影响载流子的传输速度，关系到器件的开路电压和充放电速率；材料的形貌（如薄膜厚度、均匀性、缺陷）影响光的路径和载流子的收集效率；材料的稳定性（化学、光化学、热稳定性）决定了器件的实际使用寿命。例如，钙钛矿材料的带隙可以通过组分调控来吸收太阳光谱，其晶体质量直接影响载流子分离和传输，而表面缺陷和界面工程则对其稳定性和寿命至关重要。2.重要性：高效、低成本、环境友好的合成方法直接关系到绿色能源材料的商业化和大规模应用。传统合成方法可能产生大量污染物，能耗高，成本高，难以满足大规模生产需求。而绿色合成方法（如水热法、溶剂热法、低温合成、自组装等）能在温和条件下制备出性能优异的材料，减少环境污染，降低生产成本，提高材料性能和可加工性，从而加速绿色能源技术的推广和应用。例如，通过水热法可以制备出形貌可控、性能优异的纳米材料用于电池或催化，而使用生物质为原料合成储氢材料则符合可持续发展的要求。3.主要问题/瓶颈：材料性能（如能量密度、功率密度、循环寿命、稳定性）仍需大幅提升；材料合成成本过高，规模化制备技术不成熟；器件集成与稳定性问题（如电池中的界面衰减、燃料电池的耐久性）；长寿命、高可靠性的器件封装技术；缺乏对材料结构与性能构效关系的深入理解，难以实现精准设计和调控；基础理论计算与实验验证的结合有待加强。深入探讨：例如，