2025年大学《能源化学》专业题库- 活性炭吸附剂在能源存储中的应用

2025年大学《能源化学》专业题库——活性炭吸附剂在能源存储中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种方法通常不用于活性炭的物理活化？A.气体高温活化B.化学试剂辅助活化C.惰性气氛下的高温处理D.催化剂焙烧2.根据Langmuir吸附等温线模型，当吸附量趋近于饱和吸附量时，吸附剂与吸附质分子间的相互作用力主要表现为？A.弱范德华力B.强化学键C.静电引力D.氢键3.在超级电容器中，活性炭电极主要依靠哪种储能机制？A.酸碱离子嵌入/脱出B.法拉第赝电容过程C.双电层电容效应D.离子键的形成与断裂4.下列哪种物质不适合用作锂离子电池的活性炭负极材料？A.高度石墨化的碳材料B.具有高比表面积和发达孔隙结构的无定形碳C.易于发生锂金属沉积的微孔碳D.经过表面官能团修饰的碳材料5.提高活性炭储氢性能的主要挑战在于其理论储氢量通常远低于理想氢存储材料，这主要归因于？A.活性炭表面酸性过强B.氢分子难以进入微孔内部C.孔隙结构不够稳定D.氢与碳原子间的强化学键结合6.将活性炭进行氧化改性，其主要目的是？A.增大比表面积B.提高导电性C.引入含氧官能团，增加极性位点D.降低制备成本7.活性炭用于二氧化碳捕集时，其高比表面积的主要作用是？A.提供大量质子传导通道B.增强对CO2的物理吸附能力C.促进CO2的化学转化D.提供催化活性位点8.在评估活性炭超级电容器电极材料时，通常希望其具有较小的比表面积，原因是？A.降低材料成本B.减少电解液浸润难度C.避免过多的表面缺陷导致副反应D.提高离子扩散速率9.下列哪项不是限制活性炭基锂离子电池负极材料循环寿命的主要原因？A.碳材料体积膨胀B.钙枝晶的生长C.电解液分解产物的覆盖D.活性物质结构崩溃10.活性炭与其他材料（如金属氧化物、导电聚合物）复合，其主要目的是？A.仅仅为了降低成本B.仅仅为了增大体积C.利用协同效应，改善导电性、结构稳定性或吸附选择性D.提高材料的密度二、填空题（每空1分，共15分）1.活性炭的吸附性能主要取决于其__________、__________和孔径分布等结构因素。2.吸附过程的吉布斯自由能变（ΔG）负值越大，表示该吸附过程越__________。3.超级电容器根据储能机制可分为双电层超级电容器和__________超级电容器。4.在锂离子电池中，活性炭负极材料在充电过程中发生__________反应，在放电过程中发生__________反应。5.通过__________或__________等方法可以改变活性炭的表面化学性质，以调控其吸附性能或能源存储性能。6.影响活性炭吸附速率的主要因素包括吸附剂和吸附质的__________、温度、颗粒大小以及__________等。7.活性炭基锂离子电池负极材料面临的主要挑战之一是其较大的__________，导致循环过程中结构稳定性差。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述物理活化和化学活化制备活性炭的主要区别。2.简述活性炭作为超级电容器电极材料的主要优势。3.简述活性炭作为储氢材料的主要局限性，并说明通常采用哪些改性方法来提高其储氢性能。4.简述活性炭在燃料电池中可能扮演的角色，并说明原因。四、论述题（每题10分，共30分）1.论述活性炭的比表面积和孔隙结构对其在超级电容器和锂离子电池中的应用性能有何不同要求？请分别说明。2.活性炭表面官能团对其在能源存储应用中的性能有何影响？请结合具体实例说明。3.鉴于活性炭在能源存储应用中面临的挑战（如储氢容量低、锂离子电池循环寿命短等），你认为未来应从哪些方面对活性炭进行创新性设计和改性以提升其应用性能？请提出至少三点具体思路。试卷答案一、选择题1.B2.A3.C4.C5.B6.C7.B8.C9.B10.C二、填空题1.比表面积，孔隙率2.自发3.赝电容4.锂离子嵌入，锂离子脱出5.酸碱处理，氧化还原6.浓度梯度，内外扩散阻力7.体积膨胀三、简答题1.解析思路：物理活化通常在高温下使用惰性气体（如水蒸气、二氧化碳）作为活化剂，通过气体与碳原子发生化学反应生成气体产物，从而产生孔隙，过程相对绿色环保。化学活化则是在碳原料中引入化学试剂（如KOH、ZnCl2等），该试剂在高温下不仅作为活化剂，还可能参与碳骨架的刻蚀过程，活化后需要通过酸碱处理去除试剂及其残渣，过程可能产生污染物。2.解析思路：活性炭优势主要源于其独特的结构。高比表面积提供了巨大的电极/电解液接触面积，有利于电荷的快速存储和释放，从而实现高比容量和快倍率性能。发达的孔道结构（尤其是微孔和中孔）有利于电解液离子的高效传输。此外，活性炭材料本身价格相对较低、来源广泛、化学稳定性好，且制备工艺相对成熟。3.解析思路：活性炭主要依靠物理吸附储氢，按理想气体状态吸附，理论储氢量低（远低于化学吸附或金属氢化物）。主要局限性是孔径大小限制了氢分子的扩散进入，以及表面能导致一定的吸附焓。改性方法通常旨在克服这些限制：①增大孔径或形成双孔结构（微孔+中孔/大孔），利于氢扩散；②通过掺杂非金属（N,B,C等）或金属原子，可以形成化学吸附位点，降低吸附焓，增强吸附能力；③构建碳基复合材料（如碳纳米管、石墨烯复合），利用复合材料的协同效应改善结构稳定性和导电性，间接提升储氢性能。4.解析思路：活性炭可以作为燃料电池的催化剂载体，特别是作为氧还原反应（ORR）的非贵金属催化剂的载体。原因在于活性炭具有高比表面积，可以提供大量的催化活性位点；同时，其多孔结构有利于反应气体（如O2）的扩散和电催化剂与电解液的接触；此外，活性炭本身具有一定的导电性，有助于电子的传导。例如，常将RuO2、NiO等催化剂负载在活性炭上用于燃料电池阴极。四、论述题1.解析思路：*超级电容器（侧重双电层）：对比表面积要求极高，因为容量主要源于电极/电解液界面的双电层形成，比表面积越大，双电层电容越高。对孔径分布有一定要求，微孔有利于高储能密度，中孔有利于离子快速传输，避免离子穿透。要求结构稳定，循环寿命长。*锂离子电池（侧重嵌入/脱出）：对比表面积要求相对较低，因为容量主要来自锂离子在碳层状结构中的嵌入/脱出（类似嵌入反应），高比表面积可能导致不必要的副反应或锂离子在表面的非均匀分布。对孔隙结构要求更复杂，需要合适的孔径（如2-5nm）以便锂离子能够嵌入脱出，同时孔道需要足够连通，避免形成长的扩散路径。同样需要良好的结构稳定性以承受锂离子嵌入脱出引起的体积变化。赝电容效应虽然也能贡献容量，但在纯活性炭负极中通常不是主要机制。2.解析思路：活性炭表面官能团对其能源存储性能有显著影响。*对超级电容器：引入含氧官能团（如-OH,-COOH,-C=O）会增加表面的极性，可能形成赝电容，增加额外的储能贡献，但过多的酸性位点可能腐蚀集流体或电解液。引入含氮官能团（如-NH2,-CN）也可能贡献赝电容。官能团的存在通常会降低碳的电子导电性，可能不利于倍率性能。*对锂离子电池：表面官能团（尤其是含氧官能团）可以降低碳材料的初始锂化电位，有利于锂离子的早期嵌入，从而可能获得较高的首效容量。但它们也可能与锂离子发生副反应，或在循环过程中不稳定导致容量衰减。例如，羧基在锂化过程中可能形成Li2O，导致结构破坏。因此，对官能团种类、数量和分布需要进行精确调控。无定形碳表面通常含有较多官能团，而石墨化程度高的碳官能团较少。3.解析思路：提升活性炭能源存储性能的创新性设计改性思路：1.精准调控孔结构：利用模板法、自组装、分子印迹等技术，精确设计活性炭的孔径分布、孔道连通性，甚至构建分级孔结构，以优化特定应用中离子传输和结构稳定性的需求（例如，为锂离子电池设计有利于锂离子扩散的中孔和介孔，为快充超级电容器设计高比表面积和微孔）。2.表面功能化与杂原子掺杂：精确控制掺杂元素（如B,N,P,S,Al,Si等）的种类、浓度和分布，或引入特定结构的官能团，旨在：①形成稳定的化学吸附位点，用于提升储氢量或赝电容；②调节碳材料的电子结构，改善导电性，促进锂离子传输；③改变表面反应性，抑制不利