2025年大学《能源化学》专业题库- 电催化技术在能源储存中的实际性应用

2025年大学《能源化学》专业题库——电催化技术在能源储存中的实际性应用考试时间：______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题后的括号内）1.在水电解制氢过程中，析氧反应（OER）通常发生在电势较正的区域，其主要副反应是（）。A.H₂O+e⁻→OH⁻+H₂B.2H₂O+2e⁻→H₂+2OH⁻C.2H⁺+2e⁻→H₂D.O₂+2H₂O+4e⁻→4OH⁻2.对于电催化反应，Tafel斜率越小，通常表示（）。A.催化剂活性越低B.活化能越低C.反应速率越慢D.过电位越高3.下列哪种材料通常被认为是高效析氢反应（HER）的理想催化剂？（）A.钛酸钡（BaTiO₃）B.银石墨（Ag-G）C.铂（Pt）D.三氧化二铝（Al₂O₃）4.在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，电催化剂主要分布在（）。A.阳极室B.阴极室C.膜电极组件（MEA）的催化层D.电解质膜5.电催化氧化水生成氧气的过程中，常用的贵金属催化剂是（）。A.钯（Pd）B.银（Ag）C.铂（Pt）D.镍（Ni）6.影响电催化反应选择性的关键因素之一是（）。A.催化剂的比表面积B.溶液的pH值C.电极与电解质的接触界面状态D.以上所有因素7.下列哪种技术常用于原位表征电催化剂在反应条件下的结构变化？（）A.X射线衍射（XRD）B.傅里叶变换红外光谱（FTIR）C.原位X射线吸收谱（in-situXAS）D.扫描电子显微镜（SEM）8.在用于电解水制氢的碱性电解槽中，常用的非贵金属氧析出反应（OER）催化剂是（）。A.钌（RuO₂）B.铱（IrO₂）C.镍钴氧化物（NiCo₂O₄）D.钴磷合金（Co-Ph）9.电催化剂的“稳定性”通常指其在（）方面的表现。A.循环伏安扫描下的响应B.长时间运行或多次循环后的结构和性能保持C.不同温度下的活性D.对电解质腐蚀的抵抗能力10.电催化还原二氧化碳（CO₂RR）的主要挑战之一是（）。A.CO₂在电极表面的吸附能过高B.产物选择性难以控制C.需要在非常高的电位下进行D.催化剂的成本过高二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题后的横线上）1.电催化反应通常涉及______、______和______等基本步骤。2.提高电催化反应速率的主要途径包括______和______。3.电催化剂的活性可以通过______、______和______等物理量来评价。4.电极过程动力学通常用______方程和______方程来描述。5.在质子交换膜燃料电池中，阴极发生的电催化反应是______。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述电催化反应与简单化学反应的主要区别。2.简述提高电催化催化剂选择性的常用策略。3.简述电催化反应中过电位的意义。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述贵金属催化剂在电催化领域应用广泛的原因，并分析其主要的局限性。2.结合实际应用，论述发展高效、稳定、低成本的非贵金属电催化剂的重要性及面临的挑战。五、计算题（共15分）在25°C下，某电催化剂用于析氢反应（HER），测得线性扫描伏安法（LSV）的Tafel斜率为120mV/decade。已知标准氢电极电位（SHE）为0V。若该催化剂在电位为-0.2V(vs.SHE)时，测得电流密度为10mA/cm²。请计算：（1）该催化剂的活化能（假设传递步骤是速率控制步骤，电子转移数n=2，Faraday常数F=96485C/mol，气体常数R=8.314J/(mol·K)）。（2）若要使该催化剂在析氢过电位为100mV时工作，理论上需要施加的电位（vs.SHE）是多少？试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.C5.C6.D7.C8.C9.B10.B二、填空题1.吸附，活化，脱附2.优化催化剂结构，优化反应介质和条件3.标准电极电位，过电位，电流密度4.电流密度，电位5.四线氧还原反应（OxygenReductionReaction）三、简答题1.解析思路：电催化反应是在电极表面发生，涉及电子转移和物质吸附/脱附的表面过程，其速率和选择性受电极电位、催化剂表面性质等因素调控。而简单化学反应通常在溶液或气相中发生，速率主要受温度、浓度、催化剂等一般因素影响，不涉及电极界面。2.解析思路：提高选择性可以通过改变催化剂的表面电子结构（如掺杂、表面修饰）、调控催化剂的组成和结构（如合金化、形貌控制）、优化反应介质（如添加添加剂）或施加特定的电极电位来引导反应向期望的路径进行。3.解析思路：过电位是指驱动电催化反应（尤其是非自发反应）达到宏观可觉察电流密度所需的额外电位差。它反映了克服反应活化能垒以及克服其他阻力（如浓差极化、电荷转移电阻）所需的能量，是衡量催化剂性能和应用效率的重要指标。四、论述题1.解析思路：原因：贵金属（如Pt）具有优异的电子结构和表面性质，能提供合适的吸附能以降低反应活化能，且通常具有较好的稳定性和较宽的电位窗口。局限性：价格昂贵，资源稀缺，易发生中毒（如CO₂、硫醇等吸附物覆盖活性位点），长期运行稳定性有待提高。2.解析思路：重要性：降低成本是推动电催化技术大规模应用的关键；提高稳定性是确保器件长期可靠运行的基础；非贵金属催化剂的开发有助于资源可持续利用。挑战：非贵金属自身电导率、本征活性和稳定性通常低于贵金属；活性位点结构和电子性质调控难度大；需要新的合成方法和表征手段；在实际工况下的长期稳定性验证。五、计算题（1）解析思路：根据Tafel方程斜率表达式η=b*log(i)+b'，其中b=(RT/nF)*ln(2)，可求得活化能E_a=b*nF/R。将已知数值代入计算。计算：b=(8.314J/(mol·K)*298K/(2*96485C/mol))*ln(2)≈0.121VE_a=0.121V*2*96485C/mol/8.314J/(mol·K)≈28.3kJ/mol