2025年大学《能源化学》专业题库- 能源材料的制备与能源化学反应

2025年大学《能源化学》专业题库——能源材料的制备与能源化学反应考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有多个正确选项，请将正确选项的字母填在题后的括号内。多选、错选或未选均不得分）1.下列哪些方法属于化学合成制备能源材料的技术范畴？()A.溅射沉积()B.溶胶-凝胶法()C.水热法()D.等离子体增强化学气相沉积(PECVD)()E.真空蒸发2.在制备高性能锂离子电池正极材料时，以下哪些措施有助于提高材料的倍率性能？()A.增大材料的比表面积()B.优化材料的晶体结构，降低扩散路径()C.引入合适的元素进行掺杂()D.减小材料的颗粒尺寸至纳米级别()E.提高材料的导电网络3.燃料电池中，电极催化反应动力学受哪些因素影响？()A.电极材料的本征催化活性()B.电极/电解质界面的接触状态()C.电极材料的电子结构和表面态()D.气体扩散层的透气性()E.电解质的离子电导率4.光伏太阳能电池的工作原理主要涉及？()A.半导体的能带结构()B.光子与半导体的相互作用()C.光生电子-空穴对的产生与分离()D.电极接触形成电势差()E.电流在外电路的流动5.以下哪些化学反应过程属于储氢材料的应用范畴？()A.氢气的可逆吸附与解吸()B.氢气与金属原子的化学键合存储()C.氢分子在材料孔隙中的物理容纳()D.氢在材料晶格中的替代固溶()E.氢在高温高压下的分解存储二、填空题（每空2分，共20分）1.溶胶-凝胶法通常包含______、溶胶化和凝胶化三个主要步骤。2.水热法制备材料通常在______条件下进行，能够合成许多常规方法难以获得的材料。3.燃料电池的电能转换效率取决于其______效率和______效率。4.锂离子电池中，锂离子在正负极材料之间的迁移主要依赖______的离子电导率。5.电化学阻抗谱（EIS）是研究电化学体系______和______的有效手段。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述水热法与溶剂热法在能源材料制备中的主要区别。2.解释什么是电催化剂的本征活性和表观活性，并说明它们之间的关系。3.阐述钙钛矿太阳能电池相比传统硅基太阳能电池在成本和效率方面的潜在优势。4.简述锂离子电池在充电过程中，正极材料发生的主要变化（以层状氧化物为例）。四、论述题（每题10分，共20分）1.详细论述提高燃料电池阳极（如PEMFC中的氢气氧化反应）催化活性的关键因素和常用策略。2.选择一种你熟悉的储能材料（如锂离子电池正极材料或超级电容器电极材料），阐述其工作原理，并分析其目前面临的主要挑战及可能的改进方向。---试卷答案一、选择题1.B,C,D2.A,B,C,D,E3.A,B,C4.A,B,C,D,E5.A,B,C,D二、填空题1.前驱体溶液制备2.高温、高压3.电化学，热力学4.电解质5.界面电阻，电荷转移电阻三、简答题1.解析思路：水热法在高压釜内进行，条件为高温高压水溶液环境；溶剂热法以有机溶剂或混合溶剂代替水，在高压釜内进行，条件为高温高压非水环境。主要区别在于反应介质的不同。2.解析思路：本征活性指催化剂自身材质决定的催化能力，不受载体、形貌等因素影响；表观活性是综合考虑了本征活性、载体效应、表面形貌、吸附状态等多种因素的宏观催化性能。表观活性通常低于本征活性。3.解析思路：钙钛矿材料通常具有带隙较小（有利于吸收太阳光）、光吸收系数高、载流子迁移率较高、可溶液加工（降低制造成本）等优点，在实验室尺度已实现高效率，且有望简化电池结构，降低成本。4.解析思路：充电时，层状氧化物正极失去锂离子和电子，层状结构中的锂离子脱嵌，导致晶体层间距增大，材料结构发生膨胀，同时氧原子间距离可能增大，部分氧可能形成氧空位。四、论述题1.解析思路：*关键因素：催化剂的本征活性（材料本身提供反应路径能垒的能力）、电极/电解质界面处的质子/电子转移速率、反应物（H2）在电极表面的吸附强度（需适中，太弱难吸附，太强阻碍后续反应）、反应中间体的稳定性、以及催化剂的稳定性（抗中毒、抗衰减）。*常用策略：*合成具有高本征活性的非贵金属催化剂（如Ni,Co,Mn基合金或氧化物）。*通过调控催化剂的形貌（纳米颗粒、纳米线、多孔结构等）增加活性位点和改善传质。*引入助剂（如碱金属、贵金属纳米颗粒）以降低反应能垒或改善界面接触。*优化电极结构，如构建双连续流场、改进气体扩散层，确保反应物均匀分布和快速扩散。*设计新型非质子交换膜或离子导体电解质，改善质子传输。2.解析思路：（以锂离子电池层状氧化物正极为例）*工作原理：锂离子电池基于锂离子在正负极材料之间以及电解质中可逆脱嵌/嵌入的原理工作。充电时，外部电源提供能量，锂离子从正极材料（如LiMO2）脱嵌，通过电解质迁移到负极材料（如石墨），同时电子经外电路流向负极，负极材料发生锂化；放电时，过程相反，锂离子从负极迁回正极，电子经外电路流向正极。*挑战：能量密度（接近理论极限）、循环寿命（容量衰减、结构退化）、倍率性能（大电流下性能下降）、安全性能（热失控）、成本（关键材料价格高）、环境友好性。*改进方向：*开发新型正极材料（如高镍层状氧化物、富锂材料、磷酸锰铁锂、聚阴离子型材料），提升能量密度和电压平台。*纳米化、复合化材料设计，缩短锂离