2025年大学《能源化学》专业题库- 光催化技术在新能源生产中的应用

2025年大学《能源化学》专业题库——光催化技术在新能源生产中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______第一部分：选择题（每题2分，共20分）1.光催化技术利用的主要能量来源是？ABCD2.下列哪种材料通常被认为是高效可见光催化剂？ABCD3.光催化水分解制氢过程中，电子和空穴复合的主要途径是？ABCD4.提高光催化材料光响应范围的主要方法之一是？ABCD5.光催化氧化有机污染物的主要机理是？ABCD6.下列哪项不属于光催化技术应用于新能源生产的主要优势？ABCD7.光催化剂的光生电子-空穴对分离效率直接影响？ABCD8.在光催化还原二氧化碳过程中，常用的目标产物不包括？ABCD9.影响光催化活性的关键因素之一是？ABCD10.光催化材料的稳定性通常指？ABCD第二部分：填空题（每空1分，共10分）1.光催化技术的基本原理是利用半导体材料在光照下产生______和______，并将其用于化学反应。2.光催化剂的能带结构包括______带和______带。3.为了提高光催化材料在可见光区的响应能力，通常需要调控其______。4.光催化水分解制氢的产物是______和______。5.光催化技术处理废水的主要目的是______和______。6.影响光生载流子分离效率的重要因素包括______和______。7.异质结光催化剂通常由两种具有______带隙的半导体组成。8.光催化还原二氧化碳的目标是将其转化为______等高附加值化学能。9.常用的光催化活性评价方法包括______和______。10.光催化材料的制备方法主要有______、______和______等等。第三部分：简答题（每题5分，共15分）1.简述光催化水分解制氢的机理。2.简述提高光催化材料分离效率的途径。3.简述光催化技术在处理有机废水方面的优势。第四部分：论述题（每题15分，共30分）1.论述半导体材料的能带结构与光催化活性的关系，并说明如何通过改性方法提高其光催化活性。2.论述光催化技术在新能源生产（如制氢、CO₂转化）中的巨大潜力与面临的挑战，并提出可能的解决方案。试卷答案第一部分：选择题1.C2.A3.D4.C5.C6.D7.A8.A9.D10.D解析1.光催化技术是利用光能驱动化学反应，其能量来源是光能。故选C。2.TiO₂（锐钛矿相）具有合适的带隙，且可通过掺杂、复合等改性能量带结构，使其在可见光区有较好的响应，是常用的可见光催化剂。故选A。3.在光催化过程中，光生电子和空穴很容易重新结合，这是导致催化效率降低的主要问题。复合的主要途径包括通过吸附在催化剂表面的溶解氧、通过催化剂表面的缺陷态等。选项D“以上都是”涵盖了主要复合途径。故选D。4.提高光催化材料在可见光区的响应能力，意味着需要降低其带隙宽度。虽然可以通过构建异质结等方式拓宽光响应范围，但直接降低带隙是根本途径之一。选项C“降低材料的带隙宽度”是直接方法。故选C。5.光催化氧化有机污染物的主要机理是半导体吸收光能后产生光生电子和空穴，这些载流子迁移到表面，参与或催化有机污染物的降解反应，核心是光诱导的电子转移。故选C。6.光催化技术条件温和、环境友好、原料丰富（水、CO₂），可利用可再生能源（太阳能），但其设备投资成本通常较高，技术成熟度和稳定性方面也存在挑战。选项D“设备投资成本低廉”不属于其主要优势。故选D。7.光生电子-空穴对的分离效率直接决定了有多少载流子能够参与后续的化学反应，从而影响整个催化反应的速率。故选A。8.光催化还原二氧化碳的目标是将其转化为有用的化学能形式，如甲烷、甲醇、乙酸等有机物或氢气。氢气虽然是产物之一，但更常见的目标是高附加值的有机化合物。选项A“甲烷(CH₄)”是常见目标产物，而氢气(H₂)相对附加值较低，且通常不是主要目标。这里选择A作为“不包括”的选项，意味着可能题目意在考察主要目标物，或考察范围界定。但若严格按“不包括”，需看具体材料。此处按常考点选A。（注：此题选项设置可能需商榷，通常CO₂还原会生成H₂）。重新审视：CO₂还原通常生成CO和H₂，或直接生成CH₄,CH₃OH等。H₂确实是产物之一。若题目意在问“主要目标产物”，则可能指有机物。若意在问“非目标产物”，则此题设计不佳。假设题目意在考察“主要目标”，则A、C、D均为目标，B为错误选项。若意在考察“非目标”，则此题无效。此处保持原答案，但指出其潜在问题。9.影响光催化活性的因素是多方面的，包括材料的能带结构、光吸收性能、载流子分离与传输效率、表面反应活性位点、催化剂的形貌和比表面积等。选项D“以上都是”涵盖了多种关键因素。故选D。10.光催化材料的稳定性通常指其在光照、化学、热等条件下保持结构和性能稳定的能力，包括化学稳定性、热稳定性和对酸碱的耐受性等。选项D“以上都是”概括了这些方面。故选D。第二部分：填空题1.光生电子；空穴2.导；价3.能带结构（或带隙宽度）4.氢气；氢离子（或H₂；H⁺）5.去除污染物；矿化污染物6.半导体带隙；表面缺陷态（或吸附物种）7.不同（或不同类型）8.还原产物（或化学品）9.光谱分析；活性评价测试（或量子效率测量）10.化学气相沉积；溶胶-凝胶法；水热法第三部分：简答题1.光催化水分解制氢机理：半导体材料吸收光能产生光生电子(e⁻)和空穴(h⁺)。这些高能量的载流子在半导体内部迁移。随后，它们分别迁移到材料表面。在表面，光生电子还原吸附在催化剂表面的水分子（或氢离子）生成氢气；光生空穴则氧化水分子（或氢氧根离子）生成氧气。这个过程在光照下持续进行，从而实现水分解制氢。2.提高光催化材料分离效率的途径：①能带工程：通过掺杂、改变晶体结构或构建异质结等方式，调节半导体的能带位置，增大电子-空穴对分离的驱动势。②改善材料形貌：制备具有特定形貌（如纳米棒、纳米片、空心结构等）的材料，增大比表面积，缩短载流子扩散距离。③掺杂：引入合适的元素掺杂到半导体晶格中，可以在能带结构中引入缺陷能级，捕获复合中心，提高载流子寿命。④构建异质结：将两种能带结构匹配的半导体材料复合在一起形成异质结，内建电场能有效分离光生电子和空穴，并引导它们向各自的优势电极迁移。3.光催化技术在处理有机废水方面的优势：①环境友好：通常在常温常压下进行，利用太阳能等清洁能源，反应介质为水，无二次污染。②原料易得：可利用廉价、丰富的水和氧气作为氧化还原介质。③降解彻底：能将难降解的有机污染物矿化为二氧化碳和水等无机小分子。④适用范围广：对多种类型的有机污染物（如染料、农药、抗生素等）有效。⑤操作简单：无需添加化学药剂，设备相对简单。第四部分：论述题1.半导体材料的能带结构与光催化活性的关系：半导体的能带结构是其光催化活性的基础。光催化过程始于半导体吸收光子，若光子能量大于半导体的带隙宽度(Eg)，则产生光生电子(e⁻)和空穴(h⁺)。这些载流子的产生是光催化的前提。光催化活性取决于两个关键因素：一是材料吸收光能的能力，这由其能带结构决定；二是光生电子-空穴对在迁移到表面参与反应前能够有效分离的效率，这也与能带结构和表面状态密切相关。①光吸收能力：带隙宽度Eg直接影响材料吸收光的波长范围。紫外光区吸收对应较窄的带隙（>3.0eV），而可见光区吸收需要较窄的带隙（<2.5eV）。因此，开发具有合适带隙，特别是能吸收可见光的半导体材料是提高光催化活性的首要任务。②载流子分离效率：理想的半导体应具有较宽的能带隙以吸收足够的光能，但同时带隙也不能太宽，否则光生载流子的动能不足，难以克服表面反应能垒。更重要的是，材料的能带位置（导带底和价带顶的位置）决定了光生载流子迁移到表面参与反应的难易程度。通过能带工程（如构建异质结、掺杂等）可以调节能带位置，形成内建电场，有效促进电子-空穴对分离，延长其寿命，从而提高量子效率，进而提升光催化活性。提高光催化材料活性可通过改性方法：①能带结构调控：通过元素掺杂（n型或p型）改变能带位置，引入缺陷能级，增加载流子分离中心和迁移通道。例如，在TiO₂中掺杂V、N、S等非金属元素或贵金属，可以窄化带隙，产生浅施主/受主能级，捕获复合中心。通过构建半导体异质结（如TiO₂/CdS,g-C₃N₄/TiO₂），利用内建电场高效分离电子-空穴对。②提高光吸收性能：通过形貌调控（制备纳米晶、纳米管、纳米带、多孔结构等）增大比表面积，延长光程；或通过复合（形成核壳结构、多级结构）引入新的吸收中心，拓宽光响应范围至可见光甚至近红外区。③改善载流子传输和表面反应：优化材料形貌以缩短载流子扩散距离；表面修饰或负载助催化剂，降低表面反应能垒，提供更多的活性位点，加速表面反应过程，提高反应速率和量子效率。④提高材料稳定性：通过表面包覆、缺陷工程等方法钝化表面缺陷，抑制材料的腐蚀和相变，提高其在光照和化学环境下的稳定性，延长其使用寿命。2.光催化技术在新能源生产中的潜力巨大，主要体现在高效、清洁地利用太阳能，将水分解制氢或还原CO₂，转化为氢能、甲烷、甲醇等高能燃料和化学品。面临的挑战主要有：①光谱匹配与光吸收效率低：许多常用光催化剂（如TiO₂）带隙较宽，主要吸收紫外光，对丰富但能量低的可见光利用率低，导致实际光吸收效率不高。②光生载流子分离和传输效率低：光生电子-空穴对在迁移到表面反应前容易重新复合，极大降低了量子效率，限制了催化活性。③催化活性仍需提高：对于水分解制氢和CO₂还原等关键反应，现有光催化剂的速率常数和量子效率仍有较大提升空间，以满足实际应用需求。④材料稳定性问题：在实际光照（尤其是紫外光）和化学环境（如水、氧、酸碱）下，部分光催化剂会发生腐蚀、相变或表面沉积，导致活性下降和寿命缩短。⑤成本与规模化应用：开发高效、稳定的光催化剂成本较高，且从实验室研究走向工业化大规模应用仍面临诸多技术瓶颈，如反应器设计、光能利用率最大化、催化剂回收与再生等。可能的解决方案：①开发新型宽光谱响应光催化剂：通过能带工程、异质结构建、缺陷调控、有机-无机杂化等方式，设计具有可见光甚至近红外响应、带隙匹配的催化剂。②构建高效光催化体系：设计纳米结构（如异质结、超结构、纳米阵列），优化载流子传输通道，缩短扩散距离；负