2025年大学《应用化学》专业题库- 光催化降解环境污染物技术

2025年大学《应用化学》专业题库——光催化降解环境污染物技术考试时间：______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.半导体光催化剂产生光生电子-空穴对的主要能量来源是（）。A.半导体本身的化学能B.光照提供的能量C.催化剂与反应物的化学吸附能D.电解质溶液的极化能2.对于N型半导体光催化剂，要使其在可见光范围内具有光电响应能力，通常需要（）。A.降低其导带底能级B.提高其价带顶能级C.引入杂质能级，并使其位于导带与价带之间D.增大其带隙宽度3.在光催化过程中，光生电子和空穴若迅速复合，会导致（）。A.量子产率降低B.催化剂表面活性位点增加C.污染物降解速率加快D.催化剂稳定性提高4.下列哪种物质不是光催化过程中常见的氧化性物质？（）A.·OH（羟基自由基）B.O₂⁻（超氧自由基）C.H₂O₂（过氧化氢）D.H⁺（氢离子）5.某光催化剂的禁带宽度为3.0eV，它主要吸收的能量范围大约是（）。A.<3.0eVB.3.0eV-4.0eVC.4.0eV-5.0eVD.>5.0eV6.光催化反应体系中，pH值的变化通常会影响（）。A.光催化剂的表面电荷B.污染物的溶解度C.反应中间体的稳定性D.以上都是7.染料分子在光催化降解过程中，其发色基团的破坏通常意味着（）。A.分子量减小B.颜色消失C.矿化程度提高D.毒性降低8.将光催化剂固定化使用的目的主要是为了（）。A.提高催化剂的比表面积B.降低催化剂的成本C.方便催化剂的回收和重复使用D.增强催化剂的光吸收能力9.与紫外光相比，可见光用于光催化降解的主要优势是（）。A.能量更高，反应速率更快B.光源更易获取，能量更分散C.对光催化剂的光谱匹配要求更低D.不易引起副反应10.光催化降解过程中，若要实现污染物的完全矿化，通常需要检测的指标是（）。A.CO₂的生成量B.TOC（总有机碳）的去除率C.污染物浓度的下降D.产物毒性二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上。）1.光催化反应通常需要满足的两个基本条件是：①__________，②__________。2.光生电子倾向于在半导体内部迁移到__________能带，光生空穴则留在__________能带。3.通过改变半导体的__________或__________可以调节其光响应范围。4.常用的光催化剂TiO₂属于__________型半导体，其带隙宽度约为__________eV。5.在Fenton/类Fenton体系中，H₂O₂在催化剂或Fe²⁺的催化下会分解产生__________和__________，它们是强氧化剂，能参与污染物降解。6.提高光催化效率的途径包括：提高量子产率、__________、优化反应条件等。7.光催化降解设备的设计需要考虑光源类型、反应器结构、催化剂负载方式等因素，目的是为了__________和__________。8.某种染料的光催化降解实验中，测得初始浓度为10mg/L，2小时后浓度降至1mg/L，其降解率为__________%。9.g-C₃N₄是一种具有__________结构的非金属聚合物半导体光催化剂，其对__________光有较好的响应。三、简答题（每小题5分，共20分。）1.简述光催化降解过程的典型机理。2.简述负载型光催化剂相较于纯粉末光催化剂可能具有的优势。3.简述提高光催化量子产率的几种主要策略。4.简述光催化降解技术在实际应用中面临的主要挑战。四、论述题（每小题10分，共20分。）1.论述可见光响应型光催化剂的设计思路及其重要性。2.论述光催化技术处理水中微污染物（如抗生素、内分泌干扰物）的特点和优势。五、计算题（每小题5分，共10分。）1.某光催化实验以紫外灯为光源，测得每消耗1个光子产生了0.8个光生电子，该光催化剂在紫外区的量子产率（Φ）是多少？2.在一项TiO₂光催化降解有机污染物的实验中，反应遵循一级动力学，测得初始浓度C₀=20mg/L，半衰期（t₁/₂）为120分钟。计算该反应的速率常数k和6小时后的降解率。---试卷答案一、选择题1.B2.C3.A4.D5.C6.D7.B8.C9.B10.B二、填空题1.①半导体材料具有合适的能带结构；②光照射提供足够的能量2.导带；价带3.能带位置；表面态4.N；3.0-3.25.·OH（羟基自由基）；•OH（羟基自由基）6.减少电子-空穴复合7.提高光催化效率；实现催化剂的回收利用8.909.分子；可见三、简答题1.解析思路：阐述光催化降解的基本步骤：光能吸收->电子-空穴对产生->电子-空穴对分离并迁移到表面->表面吸附的污染物在得到电子或失去电子后被氧化/还原->生成最终产物（如CO₂、H₂O）和再生催化剂。提及表面态和助催化剂在传递和转化过程中的作用。2.解析思路：说明负载可以提高催化剂的分散度，避免团聚；增大比表面积，增加活性位点；促进光生电荷的分离和转移；便于从反应体系中分离和回收，实现重复利用，降低成本。3.解析思路：从光源匹配、能带结构调控（掺杂、贵金属沉积、非金属掺杂）、表面改性（缺陷工程、助催化剂添加）、异质结构建（不同半导体复合）等方面阐述提高量子产率的方法，并强调减少电子-空穴复合是核心。4.解析思路：提及光催化效率受限于光能利用率低、光生电荷复合率高、催化剂本身的稳定性（化学、光化学）、选择性（可能产生有害副产物）、成本高、以及从液相中有效回收催化剂等难题。四、论述题1.解析思路：论述设计可见光催化剂的重要性在于太阳光谱中可见光占比高，利用可见光可以更经济、可持续地驱动反应。设计思路应包括：选择本身在可见光区有吸收的材料（如宽禁带材料的非金属掺杂、金属沉积、构建异质结等）；通过能带工程调节导带底和价带顶的位置，使其与可见光子能量匹配，使光生电子具有足够的还原电位或光生空穴具有足够的氧化电位来氧化/还原污染物；同时考虑材料的稳定性、成本和活性。需结合具体材料实例（如g-C₃N₄、CdS量子点等）进行说明。2.解析思路：论述光催化技术处理微污染物的特点：①环境友好，可在常温常压下利用太阳能进行降解，不引入二次污染；②处理对象广泛，对多种难降解有机物、无机物甚至一些生物大分子有效；③可矿化污染物，将有毒物质转化为无害的CO₂和H₂O；④操作条件相对温和。优势在于其可持续性和环境兼容性，特别适用于处理难以生物降解或浓度较低的废水。五、计算题1.解析思路：量子产率定义为每吸收一个光子所产生的有效光化学反应分子的数量。公式为Φ=(N_effective/N_photon)×100%。N_effective为产生的光生电子数（或参与反应的电子数），N_photon为吸收的光子数。根据题意，N_effective=0.8，N_photon=1。代入公式计算Φ=(0.8/1)×100%=80%。2.解析思路：一级动力学公式为C=C₀e⁻ᵏᵗ。半衰期t₁/₂=ln(2)/k。先计算速率常数k=ln(2)/t₁/₂=0.693/120min≈0.005775min⁻¹。然后