2025年大学《能源化学》专业题库- 光催化剂在能源化学中的应用前景

2025年大学《能源化学》专业题库——光催化剂在能源化学中的应用前景考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在括号内）1.对于光催化剂而言，其半导体能带结构中，禁带宽度的大小直接决定了其（）。A.表面反应活性B.光吸收波长范围C.载流子迁移率D.机械强度2.在光催化水分解制氢过程中，提高光生电子-空穴对分离效率的关键在于（）。A.增大半导体的比表面积B.缩小半导体的禁带宽度C.优化半导体的能带位置D.提高反应物的浓度3.下列哪种材料通常被认为是一种高效的光催化剂，可用于可见光驱动的CO2还原反应？（）A.金刚石B.石墨C.g-C3N4D.硅橡胶4.光催化剂的“敏化”通常指的是（）。A.在催化剂表面形成活性位点B.通过掺杂改变催化剂的能带结构C.用染料分子吸附在催化剂表面以扩展光吸收范围D.提高催化剂的热稳定性5.与均相催化相比，光催化反应的主要优势之一是（）。A.反应速率更快B.可在常温常压下进行C.催化剂易于分离回收D.对反应物浓度要求更低6.在染料敏化太阳能电池（DSSC）中，光阳极的主要功能是（）。A.还原电解质B.产生光生电子C.分离光生电子-空穴对D.提供外部电路7.下列哪种方法不属于改善光催化剂稳定性的常用策略？（）A.优化材料的形貌B.引入缺陷工程C.进行表面包覆D.降低材料的本征活性8.光催化降解有机污染物的主要机理是（）。A.微生物分解B.化学氧化还原C.光化学聚合D.沉淀反应9.量子效率（QE）是评价光催化剂性能的重要参数，它定义为（）。A.产生的光生电子数与吸收的光子数之比B.产生的光生空穴数与吸收的光子数之比C.转化的产物分子数与吸收的光子数之比D.催化剂的质量与反应速率之比10.对于光催化剂的制备而言，溶胶-凝胶法的主要优点包括（）。A.成本低廉B.可制备多种形态的材料C.反应条件温和D.以上都是二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.光催化剂通常需要具备良好的______、______和______等特性。2.光催化反应的基本过程包括光激发、载流子传输、表面吸附与活化、表面反应和______五个步骤。3.提高光催化剂可见光利用率的主要途径有窄化能带宽度、______和构建异质结等。4.光解水制氢过程中，析氢反应（HER）和析氧反应（OER）通常是______的。5.二氧化碳光催化还原可以产生多种产物，如______、甲烷、碳氢化合物等。6.g-C3N4是一种具有______结构的聚合物半导体材料，近年来在光催化领域受到广泛关注。7.光催化剂的表面改性可以通过______、______等方式实现，以调控其表面性质。8.评价光催化剂稳定性的常用方法包括______和循环实验测试。三、名词解释（每小题3分，共12分。请给出简洁、准确的定义）1.光生载流子2.表面态3.量子效率4.异质结四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述光催化剂在光解水制氢过程中的作用机理。2.与金属氧化物光催化剂相比，金属有机框架（MOFs）光催化剂具有哪些潜在的优势？3.影响光催化反应速率的主要因素有哪些？4.在光催化应用中，如何理解“选择性”问题？五、论述题（每小题10分，共20分。请结合所学知识，进行较为深入的阐述）1.论述提高光催化剂光催化效率的几种主要途径及其内在机理。2.分析光催化剂用于二氧化碳转化制高附加值燃料所面临的主要挑战，并提出可能的解决方案。结束试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在括号内）1.(B)2.(C)3.(C)4.(C)5.(C)6.(B)7.(D)8.(B)9.(C)10.(D)二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.光吸收、电荷分离与传输、表面反应2.产物脱附3.引入助催化剂/敏化剂4.势垒高/热力学非自发/需要外加偏压5.甲醇6.分子筛7.掺杂、表面修饰8.稳定态表征（如XPS）三、名词解释（每小题3分，共12分。请给出简洁、准确的定义）1.光生载流子：半导体材料在光照射下吸收能量后产生的自由电子和空穴。2.表面态：位于半导体能带隙中，主要由表面悬挂键、缺陷等引起，可以捕获和束缚光生载流子或吸附物种。3.量子效率：转化的目标产物分子数或产生的目标粒子数与吸收的光子数之比，是衡量光催化剂性能的重要指标。4.异质结：由两种能带结构不同的半导体材料紧密接触形成的界面结构，可以有效地促进光生电子-空穴对的空间分离。四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述光催化剂在光解水制氢过程中的作用机理。解析思路：从光激发开始，描述电子和空穴的产生，强调分离的重要性，接着说明载流子如何迁移到表面，最后描述在表面发生的析氢反应和与水分子作用生成氧气的过程。需涵盖光激发、载流子分离、表面反应（HER和OER）等核心步骤。2.与金属氧化物光催化剂相比，金属有机框架（MOFs）光催化剂具有哪些潜在的优势？解析思路：从结构特点出发，说明MOFs具有可调的孔道结构和化学组成，易于功能化；从光学性质说明其可设计宽光谱响应范围；从性能说明其比表面积大、易于负载催化位点、结构多样性等。选择其中几点进行阐述即可。3.影响光催化反应速率的主要因素有哪些？解析思路：从光催化过程本身出发，列出影响各步骤的因素。主要包括：入射光强度和波长（影响光激发效率）、光催化剂本身的性质（如能带结构、光吸收能力、表面活性位点数量和性质、载流子分离效率等）、反应物浓度和性质、反应温度、pH值、溶剂效应、以及是否存在助催化剂等。4.在光催化应用中，如何理解“选择性”问题？解析思路：首先明确选择性是指光催化反应hướngtới特定产物（或目标反应）的程度。其次，从反应机理角度解释，选择性取决于表面反应步骤的能垒差异。例如，对于CO2还原，不同的反应路径（如还原为甲醇、甲烷或烯烃）具有不同的热力学和动力学偏好，光催化剂表面位点的性质决定了哪个路径更容易发生，即选择性。高选择性意味着优先生成目标产物。五、论述题（每小题10分，共20分。请结合所学知识，进行较为深入的阐述）1.论述提高光催化剂光催化效率的几种主要途径及其内在机理。解析思路：首先提出提高效率的总目标，即提高量子效率。然后分点阐述主要途径：*拓宽光吸收范围：通过能量带隙工程（如元素掺杂、缺陷引入、构建异质结、使用有机染料敏化或金属纳米粒子助催化剂）使催化剂能吸收更多波长（尤其是可见光）的光子，从而增加光生载流子的产生数量。机理在于改变了材料的能带结构或引入了能级。*增强光生载流子的分离与传输：通过构建异质结、形貌控制（如纳米wires,tubes）增加界面，利用内建电场促进电子-空穴对快速分离并有效迁移至材料表面，减少复合损失。机理在于利用了能带偏移、空间电荷层或增加了传输路径。*提高表面反应速率和选择性：优化催化剂的表面结构（如增加活性位点、调控表面态）、调节表面功函数、使用助催化剂降低反应能垒，使光生载流子到达表面后能高效参与目标反应，并抑制副反应的发生。机理在于降低了反应势垒，增加了有效碰撞频率和反应路径的选择性。*改善光催化剂的稳定性：通过表面包覆、缺陷工程、掺杂等方法提高材料在光氧化、化学腐蚀等环境下的稳定性，延长其使用寿命，从而间接提高整体效率。机理在于增强了材料的抗损伤能力和结构完整性。最后可总结，这些途径往往相互关联，需要综合调控。2.分析光催化剂用于二氧化碳转化制高附加值燃料所面临的主要挑战，并提出可能的解决方案。解析思路：首先分析挑战，可以从以下几个角度入手：*热力学挑战：CO2是相对稳定的分子，其还原产物（如CO,CH4,甲醇）的生成通常需要克服较高的能垒，反应热力学上非自发或需要外加偏压。挑战在于如何提供足够的能量并使反应朝向目标产物进行。*动力学挑战：CO2分子较大的尺寸和较强的极性使其在催化剂表面的吸附较弱，吸附强度低导致表面反应速率慢。同时，CO2的化学惰性也使得活化困难。挑战在于如何增强CO2在表面的吸附强度和活化能。*选择性挑战：CO2还原是一个多路径反应，可能生成多种产物（CO,H2,CH4,甲醇,乙烯等）。如何调控催化剂或反应条件，使反应主要朝向高附加值的化学品（如甲醇、甲烷、烯烃）方向进行，抑制低附加值氢气和一氧化碳的生成，是一个巨大的挑战。*稳定性挑战：高反应活性位点或特定结构在高温、高压以及与CO2、还原产物的相互作用下可能不稳定。提出解决方案时，可以针对上述挑战提出对应策略：*应对热力学挑战：构建具有特定能带结构的异质结或利用外部能源（如电化学光催化）提供驱动力；设计具有高吸附和解离CO2能力的催化剂。*应对动力学挑战：设计具有强CO2吸附位点（如通过缺陷工程、路易斯酸位点修饰）的催化剂，降低CO2活化能；构建有利于CO2扩散和反应的宏观结构（如高比表面积、有序孔道）。*应对选择性挑战：利用形貌调