2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子科学与工程功能材料开发

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子科学与工程功能材料开发考试时间：______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.下列哪一项不属于功能材料的典型特征？（A）具有特定的微观结构；（B）表现出独特的宏观性能；（C）合成成本必须极低；（D）其性能可随外部刺激发生可逆变化。2.在设计具有特定光学响应的功能材料时，以下哪个概念不是常用的分子设计策略？（A）利用共轭体系的扩展；（B）引入光活性基团；（C）调控材料的晶格对称性；（D）增强材料的范德华力。3.对于制备具有特定纳米结构的自组装功能材料，以下哪种方法不属于常见的物理或化学模板法？（A）嵌段共聚物微相分离；（B）胶体粒子晶体；（C）使用表面活性剂形成的胶束；（D）利用原子层沉积技术逐层生长。4.当需要精确测定半导体纳米晶粒的尺寸和形貌时，以下哪种表征技术最为适宜？（A）X射线光电子能谱（XPS）；（B）透射电子显微镜（TEM）；（C）核磁共振波谱（NMR）；（D）傅里叶变换红外光谱（FTIR）。5.提高有机半导体材料电导率的主要途径不包括？（A）增加分子链的共轭程度；（B）提高分子堆积的有序性；（C）引入大量的缺陷；（D）增强π-πstacking相互作用。6.在开发光催化降解有机污染物功能材料时，对其光响应范围的要求是？（A）仅限于紫外波段；（B）仅限于可见光波段；（C）可覆盖紫外和可见光波段；（D）无需考虑光响应范围。7.下列哪种材料通常被认为是一种压电功能材料？（A）铁电陶瓷；（B）金属导电聚合物；（C）碳纳米管；（D）石墨烯。8.用于制备生物医用植入体材料时，对其生物相容性的基本要求是？（A）具有优异的力学强度；（B）能够快速降解；（C）不引起宿主的免疫排斥反应；（D）成本必须非常低廉。9.在设计储能功能材料（如电池电极材料）时，以下哪个性能不是关键考虑因素？（A）高比容量；（B）良好的循环稳定性；（C）极高的机械强度；（D）较低的制备成本。10.基于分子识别原理构建的功能材料，其核心在于？（A）材料的高导电性；（B）材料的光学透明性；（C）分子间特异性相互作用；（D）材料的化学稳定性。二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.功能材料的开发往往涉及从______设计到______制备，再到性能表征和应用的完整过程。2.在超分子化学中，通过______和非共价键相互作用，可以构筑具有特定结构和功能的分子聚集体。3.对于光电功能材料，其______和______是其核心性能指标。4.利用______原理，可以通过改变外部刺激（如光、热、电、磁、pH、溶剂等）来调控材料的结构和性能。5.在表征聚合物功能材料时，红外光谱主要用于鉴定______，而核磁共振波谱则用于分析______。6.纳米材料由于其______和______，往往表现出与块体材料显著不同的功能特性。7.将两种或多种功能单元集成到同一材料体系，可以实现______功能或______性能。8.功能材料的分子设计需要综合考虑材料的______、______和______等因素。三、简答题（每小题5分，共20分）1.简述分子印迹技术制备功能材料的基本原理及其主要应用领域。2.比较并说明自组装方法与常规化学合成方法在制备功能材料方面的主要区别。3.简述提高功能材料光学性能的几种常见策略。4.解释什么是智能材料，并列举至少三种不同类型的智能材料及其基本特性。四、论述题（每小题10分，共30分）1.论述分子设计与材料性能之间的关系，并以具体的功能材料为例进行说明。2.结合具体实例，论述功能材料表征在材料开发过程中的重要作用。3.选择一种你感兴趣的功能材料类别（如半导体光催化材料、导电聚合物、形状记忆合金等），分析其当前的研究热点、面临的主要挑战以及未来的发展趋势。五、设计题（15分）假设你需要设计一种用于水体中特定重金属离子（如Cr(VI)）高效去除的功能材料。请简要阐述你的设计思路，包括：（1）材料的基本类型或结构构想；（2）选择的基体材料或功能基团，并说明其作用原理；（3）预期的主要性能指标；（4）简述可能的制备方法。试卷答案一、选择题1.(C)2.(D)3.(D)4.(B)5.(C)6.(C)7.(A)8.(C)9.(C)10.(C)二、填空题1.概念；分子2.分子识别3.光学响应；电学响应4.外界刺激响应（或场效应、刺激响应）5.化学结构；分子结构（或化学组成）6.小尺寸效应；表面效应7.多功能；协同效应8.化学结构；物理性能；功能特性三、简答题1.原理：分子印迹技术通过使用模板分子、功能单体和交联剂在预组织好的载体（如聚合物基质）上原位聚合生成具有特定孔道结构（形状、尺寸、化学环境）的印迹聚合物。这些孔道精确对应模板分子的空间结构和结合位点。随后，通过选择性地溶解去除模板分子，得到具有永久性识别位点的分子印迹材料。应用：主要用于模拟生物酶、抗体等识别位点，应用于选择性吸附、催化、传感、药物控制释放等领域。2.区别：*自组装：利用分子间非共价键（如氢键、π-π相互作用、范德华力等）的自发、有序聚集过程形成超分子结构，通常在溶液、界面或固体表面进行，过程接近于熵驱动，对温和条件要求高，产物结构具有天然或近天然的有序性。*常规化学合成：通过可控的化学反应，打断旧键、形成新键，精确合成具有特定化学组成和结构的分子或材料，通常需要特定的反应条件（温度、压力、催化剂等），人为设计性强，产物结构可控性高。3.策略：*扩大光吸收范围：通过引入杂原子、扩展共轭体系、构建多级结构（如纳米复合材料）等增加材料对可见光的吸收。*提高光量子产率：优化分子结构以减少非辐射复合，利用能量转移机制提高利用效率。*增强光稳定性：设计稳定结构，避免光致降解。*调控光致变色/发光性能：通过分子设计调控发色团、能级结构，实现可逆的光致变色或调谐发光波长。4.定义：智能材料是指能够感知外界环境（如温度、光、电、磁、应力、化学物质等）的变化，并随之发生可预测的、有价值的物理、化学或生物响应，从而实现特定功能的材料。类型与特性：*形状记忆合金：感知温度变化，响应时恢复预设形状。*电致变色材料：感知电信号，响应时改变颜色或透明度。*压电材料：感知应力或电场，响应时产生电压或变形。四、论述题1.关系：分子设计是功能材料开发的源头，其核心思想是根据预期的功能需求，通过理论计算、模拟或经验规则，确定材料的分子结构、组成和排列方式。材料的最终性能（如光学、电学、磁学、力学、热学、生物活性等）是其内部结构（原子排列、化学键、电子云分布、分子间作用力等）与外部环境相互作用的结果。因此，分子设计与材料性能之间存在着密切且复杂的对应关系。成功的分子设计能够指导合成出具有目标性能的功能材料；反之，通过实验测得的功能材料性能数据，又可以反馈指导更精确的分子设计。实例：*有机半导体：通过增加共轭键的长度和规整性，可以提高材料的能隙和迁移率，从而改善其导电性能和光电响应特性。例如，聚苯胺的导电性随侧链的引入和共轭结构的扩展而变化。*光催化材料：半导体的带隙宽度决定了其光响应范围。设计窄带隙半导体（如CdS）可以使其吸收可见光，而设计窄带隙或复合型半导体（如Pt/TiO2）可以调节光生电子-空穴对的分离效率，提高光催化效率。2.作用：*揭示结构-性能关系：通过表征技术（如XRD、SEM、TEM、XPS、FTIR、NMR、光谱等）获得材料微观结构（晶体结构、形貌、尺寸、缺陷等）、化学组成和表面性质等信息，是理解材料功能产生机制、建立结构-性能关系的基础。没有准确的表征，就无法指导材料的设计和优化。*指导材料设计与合成：表征结果可以用来验证设计的正确性，评估合成路线的效果，并发现意料之外的结构或性能，为后续的优化提供方向。例如，通过TEM发现合成的纳米颗粒尺寸分布不均，就需要调整合成条件。*评价材料性能与质量：对功能材料的关键性能（如光吸收系数、电导率、催化活性、矫顽力、生物相容性等）进行精确测量和评价，是判断材料是否满足应用需求的关键。表征技术也是质量控制的重要手段。*研究材料服役过程：在材料使用过程中或使用后，通过原位/工况表征技术，可以研究材料的结构演变、性能衰减机制，为材料的长期稳定性和寿命预测提供依据，并指导材料的改性或修复。*推动新功能发现：对未知材料或新型结构的表征，可能发现全新的功能特性，拓展功能材料的应用领域。3.实例：半导体光催化材料*研究热点：*开发高效可见光响应光催化剂，拓宽光利用范围。*提高光生电荷分离效率和利用量子效率。*构建异质结或复合结构，实现协同效应。*降低贵金属催化剂的使用，开发低成本、环境友好的非贵金属催化剂。*优化材料的形貌和尺寸。*加强光催化机理的研究。*主要挑战：*提高量子效率，抑制光生电子-空穴对的复合。*延长材料的稳定性，抵抗光腐蚀和化学腐蚀。*实现高选择性，避免副反应。*溶解性、分散性问题。*产物分离与回收困难。*发展趋势：*向多功能化（如光催化降解+杀菌消毒+制氢）方向发展。*与生物技术结合（如生物酶催化、生物膜固定）。*与人工智能等计算模拟方法结合，加速材料发现和设计。*开发可调控、可回收利用的光催化体系。*关注光催化在环境修复、能源转换等领域的实际应用。五、设计题（答案仅供参考，合理的设计思路均可）（1）材料类型/结构构想：设计一种基于有机-无机杂化结构的吸附材料，例如，将有机配体（如含氮杂环或羧酸基团）连接到无机纳米粒子（如ZnO、TiO2或石墨相氮化碳）表面，形成超分子聚合物包覆层或配位网络。或者设计一种含有特定识别位点的树枝状大分子（Dendrimer）或轮状聚合物（Rotaxane），其核心或支链上负载吸附位点。（2）基体材料/功能基团及原理：*无机纳米粒子：提供大的比表面积和良好的吸附基础，如ZnO具有良好的碱性和表面氧官能团，可吸附酸性Cr(VI)。*有机配体/识别位点：引入对Cr(VI)具有强选择性和高亲和力的官能团，如含氮杂环（如吡啶、咪唑）、含氧酸根（如羧酸）、磷酸基团等。这些基团可以通过配位作用（如N、O提供孤对电子与Cr(VI)的空轨道相互作用）或离子交换作用（如羧酸根与Cr(OH)4-发生交换）特异性地结合Cr(VI)离子。原理：利用无机材料的比表面积和负载能力，结合有机配体的特异性识别功能，实现对Cr(VI)的高效、选择性吸附。（3）预期性能指标：*高吸附容量：对Cr(VI)的吸附量达到数百mg/g以上。*高选择性：对Cr(VI)的吸附选择性强于常见的其他阴离子（如F-,Cl-,SO42-）。*良好的水溶性或分散性：便于在水中应用。*可重复使用性：吸附饱和后可通过简单方法（如洗涤、改变pH）解吸Cr(VI)，材料可恢复吸附性能。*一定的稳定性：在水溶