2025年大学《能源化学》专业题库- 化学催化在能源领域中的应用

2025年大学《能源化学》专业题库——化学催化在能源领域中的应用考试时间：______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.下列哪种现象不是化学催化的特征？（）A.提高反应速率B.改变反应平衡常数C.降低反应活化能D.改变反应机理2.在多相催化反应中，通常将吸附能力强、易发生化学键断裂或生成的物质称为？（）A.载体B.助催化剂C.活性组分D.抑制剂3.下列哪种催化剂常用于工业上合成甲醇？（）A.Pt/炭B.Ni/Al2O3C.Fe2O3D.Cu/ZnO/Al2O34.氢燃料电池中，负极（阳极）发生的反应是？（）A.氧气还原B.氢气氧化C.二氧化碳还原D.水分解5.下列哪种技术利用光能将水分解产生氢气？（）A.热解B.光催化C.电化学分解D.膜分离6.费托合成可以是将合成气转化为？（）A.烯烃和芳烃B.醇类和烷烃C.酚类和酮类D.乙烯和丙烯7.催化剂的“选择性”通常指的是？（）A.催化剂抵抗中毒的能力B.催化剂在一定条件下转化底物的效率C.催化剂能够催化的反应类型范围D.催化剂在反应后能够恢复活性的能力8.对于燃料电池催化剂，除了高活性外，通常还要求具备？（）A.高成本B.低选择性C.差稳定性D.良好稳定性9.下列哪种方法不属于制备纳米催化剂常用的物理方法？（）A.溅射沉积B.沉淀法C.等离子体化学气相沉积D.蒸发冷凝10.原位表征技术主要用于？（）A.研究催化剂的宏观结构B.研究反应过程中的催化剂结构、组成变化C.筛选新的催化剂材料D.评价催化剂的催化活性二、填空题（每空2分，共20分。请将正确答案填在横线上。）1.化学催化的活性通常用__________来衡量，选择性则根据产物分布来评价。2.均相催化通常发生在__________相中，而多相催化通常发生在__________相界面。3.催化剂中毒是指催化剂的活性由于吸附了某些物质而降低的现象，这些物质称为__________。4.水的电解制氢过程中，析氢反应（HER）的催化剂研究热点包括贵金属__________和非贵金属__________。5.设计高效能源转换催化剂时，除了考虑活性外，还需要关注其__________、__________和成本效益。6.光催化水分解制氢的效率受光阳极材料的__________、__________以及电荷分离效率等因素影响。7.费托合成工艺是实现煤炭间接液化的重要途径，其产物可以根据需求调控，以获得__________、__________等不同种类的燃料和化学品。8.基于密度泛函理论（DFT）的催化研究可以用来预测催化剂的__________和__________。三、简答题（每题5分，共15分。请简要回答下列问题。）1.简述多相催化反应中，催化剂活性组分、助催化剂和载体各自的主要作用。2.简述提高燃料电池催化剂性能的主要策略。3.简述光催化材料设计时需要考虑的关键因素。四、论述题（每题10分，共20分。请结合所学知识，回答下列问题。）1.论述负载型催化剂相比于均相催化剂在能源转化应用中的优势。2.选择一种你熟悉的水电解制氢催化剂体系（如Pt/C或NiFeLDH/碳基材料等），简述其工作原理、优缺点及未来发展方向。---试卷答案一、选择题1.B2.C3.D4.B5.B6.B7.C8.D9.B10.B二、填空题1.催化活性中心2.液体；固-液3.中毒剂4.Pt；Ni5.稳定性；选择性6.光吸收带边位置；表面本征缺陷7.烯烃；醇类8.活性位点能；吸附能三、简答题1.解析思路：首先明确催化剂的组成部分：活性组分、助催化剂、载体。然后分别阐述每个组分的核心功能。活性组分是发生化学吸附和表面反应的中心，决定催化活性；助催化剂可以提高活性组分的分散度、提供电子或空间位阻、稳定活性位点等，从而提高催化剂的整体性能；载体提供比表面积，分散活性组分，防止其团聚，并可能影响反应物吸附。2.解析思路：提高燃料电池催化剂性能需要从多个维度入手。首先考虑提高本征活性，即通过理论计算或材料设计找到更优的活性位点。其次考虑提高选择性，确保催化剂只催化目标反应，减少副反应。然后是提高稳定性，包括化学稳定性（抗中毒、抗烧结）和电化学稳定性（在电化学环境下的结构、活性保持）。此外，还需考虑降低成本，实现商业化应用，以及提高催化剂的电子导电性和离子导电性（对于电催化剂）。3.解析思路：光催化材料的设计需要综合考虑多个因素。首先是光学性质，材料必须有合适的带隙宽度以吸收目标波长（通常是可见光）的光子，并具有高的光量子效率。其次是表面性质，需要具备合适的表面能和合适的缺陷结构，以促进光生电荷的有效产生、分离和传输，减少电荷复合。此外，材料的化学稳定性、机械强度、生物相容性（如用于水处理）以及成本等也是重要的考虑因素。四、论述题1.解析思路：论述优势应从多个方面展开。首先，负载型催化剂将活性组分分散在载体上，具有高分散度，提供了大量的活性位点，通常比均相催化剂有更高的催化活性。其次，载体可以防止活性组分在高温或反应条件下发生团聚、烧结，从而提高催化剂的稳定性和寿命。再者，载体可以调节活性组分的电子结构和表面性质，甚至可以作为助催化剂或吸附位点，进一步提高催化性能和选择性。此外，载体通常具有高比表面积，有利于反应物吸附，且易于分离回收，有利于催化剂的重复使用和工业化应用。最后，负载型催化剂通常成本较低，原料易得。2.解析思路：选择具体催化剂体系后，首先简述其基本工作原理。例如以NiFeLDH/碳基材料为例，说明其利用光能激发产生光生电子和空穴，这些载流子迁移到材料表面，参与水分解反应，在NiFeLDH表面发生水的还原生成氢气，在碳基材料或其他位置发生水的氧化生成氧气。接着分析其优点，如NiFeLDH本身具有较好的光吸收能力、成本低廉、环境友好、具备一定的碱性和催化活性等。碳基材料的加入可以进一步提高