2025年大学《能源化学》专业题库- 光催化技术在新能源材料中的应用

2025年大学《能源化学》专业题库——光催化技术在新能源材料中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种物质不是典型的光催化剂？（）A.TiO2B.CdSC.金属铂D.g-C3N42.光催化反应中，光生电子和空穴易于复合的主要原因是？（）A.光照强度不够B.半导体能带宽度太大C.缺乏合适的表面陷阱态D.载流子迁移率较低3.提高光催化材料光吸收范围的有效途径之一是？（）A.减小粒径B.引入缺陷C.提高载流子复合速率D.降低比表面积4.在光催化水分解制氢反应中，通常需要使用贵金属助催化剂，其主要作用是？（）A.提高光吸收能力B.增强光生空穴的还原能力C.加快光生电子的氧化能力D.降低反应的活化能5.下列哪种光催化应用不属于环境净化领域？（）A.有机污染物降解B.二氧化碳还原C.空气污染物去除D.光电催化制氢6.光催化材料的稳定性通常指？（）A.在光照下的化学稳定性B.在不同温度下的物理稳定性C.对酸碱的耐受性D.以上都是7.构建光催化异质结的主要目的是？（）A.增加材料的比表面积B.实现能带结构的匹配，促进电子-空穴对分离C.提高材料的导电性D.降低材料的制备成本8.与传统光催化剂相比，二维光催化材料的主要优势之一是？（）A.高比表面积B.易于进行原子级精确调控C.高稳定性D.低成本9.光催化降解有机污染物时，选择性的体现是？（）A.只能降解特定类型的污染物B.优先降解毒性较高的污染物C.降解产物是无毒的小分子D.对反应条件的适应性更强10.目前限制光催化技术大规模应用的主要瓶颈之一是？（）A.光催化效率普遍偏低B.光催化材料成本过高C.光催化反应机理复杂D.光催化器件稳定性不足二、填空题（每空1分，共15分）1.光催化反应通常需要满足的两个基本条件是__________和__________。2.光生电子和空穴在半导体表面的复合主要有__________复合和__________复合两种机制。3.通过改变半导体的__________和__________可以调节其光响应范围。4.光催化在水污染治理中，对于难降解有机物的降解机理主要包括__________和__________两种途径。5.光催化二氧化碳还原制燃料的关键在于提高__________效率和__________选择性。6.为了提高光催化材料的稳定性，可以采取__________掺杂、__________处理等方法。7.g-C3N4是一种具有__________结构的宽禁带半导体材料，在光催化领域具有研究潜力。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述光催化反应的机理，并说明提高光催化效率的关键途径。2.简述半导体光催化材料的主要分类，并比较金属半导体和非金属半导体的特点。3.简述光催化技术在空气净化领域的应用，并举例说明其作用原理。4.简述构建光催化异质结的原理及其对光催化性能的影响。四、论述题（每题10分，共30分）1.论述提高光催化水分解制氢效率的多种策略，并分析其优缺点。2.论述光催化技术在解决环境污染物问题中的优势和局限性，并展望其未来的发展方向。3.论述光催化材料从传统体系向新型体系（如二维材料、钙钛矿等）发展的趋势，并分析其背后的驱动力和面临的挑战。试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.D5.B6.D7.B8.B9.A10.A二、填空题1.能量大于半导体的禁带宽度的光子照射；半导体与反应体系之间能够发生有效的电荷转移2.体相；表面3.能带结构；表面态4.光诱导氧化；光诱导还原5.光催化；区域选择6.非金属；表面7.分子sieve-like三、简答题1.机理：光子能量大于半导体禁带宽度时，光子被吸收产生光生电子-空穴对。这些载流子在半导体内部迁移，并在表面与吸附的染料分子或氧气等反应，最终完成催化反应。过程中涉及光吸收、载流子产生与分离、表面反应、产物脱附等步骤。提高效率途径：提高光吸收效率（如使用宽光谱催化剂、构建异质结、减小尺寸）；抑制载流子复合（如构建异质结、引入缺陷、优化形貌）；提高表面反应速率（如选择合适的助催化剂、增大比表面积）。2.分类：金属半导体（如ITO、FTO）、非金属半导体（如TiO2、ZnO、CdS、g-C3N4等）、金属/半导体复合体系、氧化物、硫化物等。特点比较：金属半导体通常具有较好的导电性，但光催化活性相对较低；非金属半导体种类繁多，光响应范围广，是研究最多的光催化剂；金属/半导体复合体系可以通过能带匹配有效分离载流子，提高催化活性。3.应用：光催化技术可用于去除空气中的挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物（NOx）、甲醛等污染物。其作用原理是利用半导体材料在光照下产生的活性氧物种（如·OH、O2·-）或直接利用光生电子/空穴氧化还原污染物。4.原理：通过构建能带结构不同的半导体异质结，形成内建电场，促进光生电子和空穴向各自有利于表面反应的极性方向迁移，从而有效降低复合率。影响：异质结能够显著提高光生载流子的分离效率，进而提高光催化材料的量子效率、光催化活性、选择性和稳定性。四、论述题1.提高效率策略及优缺点：*拓展光响应范围：使用宽带隙半导体或构建窄带隙/宽带隙异质结。优点：可利用更广泛的光谱区域；缺点：部分宽带隙材料光吸收弱，或窄带隙材料稳定性差。*构建异质结：形成内建电场促进电荷分离。优点：显著提高量子效率和催化活性；缺点：界面处理复杂，可能存在界面缺陷。*形貌控制：制备纳米颗粒、纳米管、纳米线、二维薄膜等。优点：增大比表面积，提供更多活性位点；缺点：制备工艺复杂，结构稳定性需考虑。*掺杂：引入金属或非金属元素改变能带结构。优点：可调控光吸收、改善电荷分离、提高稳定性；缺点：过量掺杂可能降低量子效率或引入新的复合中心。*负载助催化剂：负载贵金属（如Pt）或非贵金属助催化剂在催化剂表面。优点：降低反应活化能，提高特定反应（如HER、CO2RR）的速率和选择性；缺点：成本高，可能被氧化或中毒。*优化反应环境：如调节pH值、添加牺牲剂、使用可见光光源等。优点：可提高反应速率和选择性；缺点：可能影响催化剂的稳定性和通用性。2.优势与局限性及发展方向：*优势：清洁、高效、环境友好、条件温和、可利用太阳能等。*局限性：光催化量子效率普遍不高；光吸收范围主要集中在紫外区；光生载流子易复合；催化剂的稳定性和寿命有待提高；催化剂成本和回收问题；实际应用中难以与传统能源系统高效耦合。*发展方向：开发高效、稳定、可见光响应的新型光催化剂（如二维材料、钙钛矿、金属有机框架MOFs等）；构建高效稳定的光催化器件（如光催化电池、光催化反应器）；发展精准的催化剂结构调控和性能评价方法；探索光催化与其他技术的耦合（如电催化、photocatalyticwatersplitting）。3.发展趋势及驱动力与挑战：*趋势：从传统的TiO2等宽禁带材料向具有优异光电化学性质的二维材料（如MoS2、WSe2）、新型钙钛矿（如双钙钛矿、黄铜矿）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、杂化材料等新型体系发展。*驱动力：对更高光催化效率、更宽光响应范围、更好稳定