2025年大学《能源化学》专业题库- 低碳能源的新型化学催化剂

2025年大学《能源化学》专业题库——低碳能源的新型化学催化剂考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪一项不属于低碳能源的范畴？()A.太阳能B.风能C.煤炭D.地热能2.催化剂在化学反应中主要表现为：()A.改变反应的平衡常数B.降低反应的活化能C.改变反应的熵变D.增加反应的焓变3.下列哪种催化剂通常被认为是均相催化剂？()A.固体酸B.金属载于活性炭上C.气相中的酸酐D.接触催化剂4.用于太阳能光催化分解水制氢的催化剂，首要考虑的性能是：()A.高选择性B.高稳定性C.高成本效益D.高均相性5.金属有机框架（MOFs）材料作为催化剂或催化剂载体，其主要优势之一是：()A.必须在高温高压下使用B.通常具有非常高的密度C.具有高度可调的孔道结构和化学组成D.对水稳定性极差6.在电催化析氢反应（HER）中，提高催化剂活性的一个有效策略是：()A.增加催化剂的电子密度B.降低催化剂的电子密度C.增大催化剂的尺寸D.使用惰性载体7.下列哪种物质是利用CO₂还原反应可能得到的液体燃料？()A.氢气B.甲烷C.乙醇D.氮气8.用于氧还原反应（ORR）的高效电催化剂通常需要具备哪种电子态？()A.钝态B.半充满的d或f电子层C.空的d或f电子层D.饱和的s电子层9.原位表征技术的主要优势在于：()A.可以获得催化剂的静态结构信息B.可以避免样品表面污染C.可以在接近反应条件的情况下实时监测催化剂的变化D.设备成本通常较低10.设计用于CO₂还原反应的催化剂时，为了提高甲烷选择性，通常需要：()A.提供强碱性位点B.提供弱酸性位点C.调控催化剂的电子结构使其对C-H键形成有选择性D.使用大尺寸的活性位点二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在题后的横线上）1.催化剂的__________、__________、__________和__________是其核心性能指标。2.通过调控金属纳米催化剂的__________、__________和__________，可以精细调节其催化活性。3.氧化石墨烯（GO）常被用作合成__________材料的载体，以增加其比表面积和分散性。4.在设计光催化剂时，除了要考虑其光学响应范围，还需要关注其__________和__________。5.非贵金属催化剂（如Ni,Co,Mo）在电催化领域受到关注，部分原因在于其具有较好的__________和__________。6.基于密度泛函理论（DFT）的计算模拟可以帮助我们理解催化剂表面的__________、__________和__________过程。7.将生物质转化为平台化合物（如糖、乳酸）是生物基化学品合成的重要步骤，常需要__________催化。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述多相催化反应的基本过程（吸附、活化、反应、脱附）。2.与传统块状催化剂相比，纳米催化剂在性能上通常有哪些优势？3.解释什么是均相催化和固相催化，并各举一例。4.为什么说CO₂还原反应是一个具有挑战性的电催化过程？四、论述题（每题10分，共30分）1.论述设计高效可见光催化剂需要考虑的关键因素及其内在联系。2.以析氢反应（HER）为例，阐述催化剂活性位点设计的基本思路和常用策略。3.结合具体催化剂实例，论述杂化材料在低碳能源转换催化中的应用潜力。试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.B5.C6.A7.C8.B9.C10.C二、填空题1.活性选择性稳定性成本效益2.尺寸形貌组成3.MOFs/COFs4.光稳定性抗腐蚀性5.价格成本效益6.吸附活化脱附7.催化三、简答题1.解析思路：首先要答出多相催化是催化剂（固相）和反应物在固体表面发生的催化过程。然后按顺序阐述四个核心步骤：反应物分子如何吸附到催化剂表面（提供活性位点）、吸附后的反应物分子如何被活化（克服活化能）、在活化状态下发生的表面化学反应、反应产物如何从表面脱附。最后强调脱附是反应得以持续进行的关键。2.解析思路：从粒径效应入手，说明小尺寸（纳米级）物质具有更高的比表面积，提供了更多的反应活性位点。其次，量子尺寸效应可能导致纳米材料具有独特的电子和光学性质，影响催化活性。最后，表面效应使得纳米颗粒表面的原子具有更高的活性和不饱和性，易于吸附和参与反应。3.解析思路：定义均相催化是指催化剂和反应物处于同一相态（通常是液相）。定义固相催化（或称多相催化）是指催化剂为固相，反应物为气相或液相，并在固液或固气界面发生反应。然后各举一例，如均相催化：酸催化酯化反应；固相催化：Pt/C催化剂用于氨合成。4.解析思路：指出CO₂分子具有线性结构，碳氧键极性弱，化学性质不活泼。首先，CO₂吸附在催化剂表面时，需要克服较大的吸附能才能进行活化。其次，CO₂的还原过程通常涉及多个电子和质子的转移，反应路径复杂，中间体种类多，选择性控制困难。最后，CO₂分子容易发生解吸，导致低转化率。四、论述题1.解析思路：首先强调可见光利用是发展太阳能光催化的重要方向。然后分点论述关键因素：①光谱匹配，即催化剂的光吸收边应能吸收可见光（波长大于420nm），以产生足够的电子-空穴对；②光稳定性，催化剂本身及在光照下产生的活性物种需稳定，不易分解；③光生电荷分离效率，高效地将光激发产生的电子和空穴分离并传输到材料表面参与反应，减少复合；④表面活性位点，材料表面需要有合适的活性位点捕获分离后的电荷并催化反应。最后总结这些因素相互关联，共同决定催化剂的整体光催化性能。2.解析思路：首先点明HER是电催化中研究最广泛、最重要的反应之一。然后阐述设计策略：①理解构效关系，通过理论计算或实验确定不同元素、不同电子结构（如d带中心位置）对HER活性的影响；②活性位点设计，如利用单原子催化剂（原子级分散）暴露高活性晶面（如{111}面），或构建合金、合金化表面、表面重构等来暴露具有低吸附能*HER中间体的位点（如*H吸附能接近0eV）；③电子结构调控，通过非金属掺杂、表面官能团修饰、应力工程等手段调节催化剂的d带或p带中心，使其与*H的吸附能处于最优位置（如-0.4VvsRHE附近）；④介电环境调控，利用合适的电解质或界面修饰改变反应物在表面的吸附强度。3.解析思路：首先定义杂化材料是由两种或多种化学性质不同的、基本的、独立的材料（通常是一种是金属或金属氧化物，另一种是有机分子或聚合物）通过化学键结合形成的新型材料。然后结合应用实例论述潜力：①有机组分（如聚合物、共轭分子）可以提供丰富的孔道结构、可调的电子性质、良好的柔性或生物相容性，有利于反应物传输、扩散和接触；②金属或金属氧化物组分（如纳米颗粒）通常具有高比表面积、优异的导电性和催化活性，可以作为催化活性中心；③杂化结构有望实现无机和有机组分之间的协同效应，如有机基体的电子调控可以