2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 金属有机框架材料的气敏性质研究

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——金属有机框架材料的气敏性质研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分）1.下列哪一种化学键通常不作为构成金属有机框架（MOFs）基本结构单元的连接方式？A.共价键B.范德华力C.配位键D.离子键2.当MOF材料吸附小分子气体时，主要利用其孔道内的自由空间，这种吸附过程主要体现为：A.化学吸附B.物理吸附C.酸碱吸附D.氧化还原吸附3.提高MOF材料比表面积，通常对其气体吸附能力和气敏灵敏度有何影响？A.降低吸附能力和灵敏度B.提高吸附能力，但对灵敏度无影响C.对吸附能力影响不大，但提高灵敏度D.提高吸附能力和灵敏度4.下列哪种表征技术最适合用于测定MOF材料的比表面积和孔体积？A.X射线衍射（XRD）B.透射电子显微镜（TEM）C.比表面积及孔径分析仪（通常基于N2吸附-脱附等温线）D.核磁共振波谱（NMR）5.如果希望设计的MOF材料对酸性气体（如CO2）具有更高的选择性，在设计时应该优先考虑引入哪种类型的活性位点？A.碱性金属离子B.芳香环结构C.路易斯酸位点（如金属中心）D.离子液体客体6.MOF材料的孔道尺寸和化学环境对其气敏选择性具有决定性影响，这主要是因为：A.影响了气体的扩散速率B.决定了气体与MOF内表面相互作用的类型和强度C.影响了MOF材料的稳定性D.A和B均正确7.在研究MOF材料的气敏性能时，常使用的“响应时间”是指：A.MOF材料从初始状态达到最大吸附量所需的时间B.MOF材料从接触目标气体到产生可检测信号所需的timeC.MOF材料完全脱附目标气体所需的时间D.MOF材料在目标气体浓度变化下信号恢复到初始状态所需的时间8.下列哪种方法不属于典型的MOF后合成修饰技术？A.引入功能化有机连接体B.离子交换C.原位生长第二相材料D.辐照处理9.与传统的无机气体传感器相比，MOF气体传感器的主要优势之一是：A.制备成本更低B.可以实现极高的灵敏度和选择性C.操作温度必须非常高D.对所有气体都具有良好的响应10.MOF材料在气体传感应用中面临的主要挑战之一是：A.寿命稳定性差，易发生结构坍塌或活性位点失活B.比表面积通常太小C.难以实现器件小型化D.对环境湿度不敏感二、填空题（每空2分，共20分）1.金属有机框架（MOFs）是由___和___通过配位键或共价键自组装形成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。2.影响MOF气体吸附性能的关键因素包括其___、___、孔道连通性以及气体自身的___和___等。3.MOF材料对特定气体的选择性主要源于气体分子与MOF内表面之间的___以及___的匹配。4.常用的MOF气敏性能表征方法包括气体传感测试、气体吸附等温线测量、___、___等。5.为了提高MOF材料的气体传感性能，可以采取的策略包括优化材料结构、引入___、进行___等。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述物理吸附和化学吸附在MOF材料吸附气体过程中的主要区别。2.简要说明后合成修改在调控MOF气敏性能方面可以起到哪些作用。3.列举至少三种不同类型的气体，并简述它们与MOF材料可能发生的主要相互作用机制。四、论述题（10分）结合影响MOF气敏性能的关键因素，论述如何设计一种具有高灵敏度和高选择性的MOF气体传感器用于检测特定挥发性有机化合物（VOCs）。请说明需要考虑的主要设计原则和可能采用的策略。试卷答案一、选择题1.D2.B3.D4.C5.C6.D7.B8.C9.B10.A二、填空题1.金属节点，有机连接体2.比表面积，孔径，吸附热，化学性质3.化学亲和力，物理匹配度4.红外光谱，荧光光谱5.功能化位点，后合成修改三、简答题1.解析思路：区分物理吸附和化学吸附的核心在于吸附力的性质和吸附过程。物理吸附主要依靠分子间作用力（如范德华力），特点是可逆、吸附热较低、无选择性。化学吸附涉及化学键的形成（如配位键、氧化还原反应），特点是不可逆或难可逆、吸附热较高、具有选择性。*答案：物理吸附主要依靠分子间作用力（如范德华力），过程可逆，吸附热较低，对吸附质无选择性；化学吸附涉及化学键的形成（如配位键、氧化还原反应），过程通常不可逆或难可逆，吸附热较高，对吸附质具有选择性。2.解析思路：后合成修改的目的是在MOF形成后进一步改变其结构和性质。对于气敏性能，修改可以引入特定的识别位点（功能化）来增强与目标气体的相互作用，或者通过引入缺陷、改变表面化学环境来调控吸附和响应行为。*答案：后合成修改可以通过引入功能化基团或离子，增强MOF与目标气体的相互作用，提高选择性；可以通过引入缺陷或改变表面化学环境，调节气体吸附行为和传感响应特性；还可以通过离子交换改变金属节点或有机连接体，从而调控材料的气敏性能。3.解析思路：列举不同类型的气体并说明其与MOF的相互作用机制是考察对基本机理的理解。小分子极性气体（如CO2,H2O,NH3）主要与MOF表面的官能团或金属位点发生物理吸附或化学吸附（酸碱作用）；而电中性或极性较弱的气体（如CH4,N2）主要被物理吸附在孔道内；具有还原性的气体（如CO,H2）可能与MOF表面的路易斯酸位点发生氧化还原反应。*答案：（1）CO2：主要与MOF表面的碱性位点（如金属中心）发生物理吸附，也可能发生路易斯酸碱相互作用。（2）H2O：与MOF表面的酸性位点（如金属节点、有机连接体上的酸性基团）发生物理吸附或配位。（3）NH3：作为碱性分子，主要与MOF表面的路易斯酸位点（如金属中心）发生配位化学吸附，也可能与表面羟基等发生物理吸附。（4）CH4：作为非极性分子，主要通过范德华力被物理吸附在MOF的孔道内。（5）CO：作为具有还原性的分子，可能被MOF表面的路易斯酸位点（如某些过渡金属中心）发生氧化还原反应吸附，或通过物理吸附进入孔道。（6）N2：作为非极性分子，主要通过范德华力被物理吸附在MOF的孔道内。四、论述题解析思路：设计高灵敏度和高选择性的MOF气体传感器需要综合考虑结构-性能关系。高灵敏度通常要求高比表面积、合适的孔径以利于气体扩散、以及与气体强相互作用的功能位点。高选择性则要求MOF对目标气体具有强亲和力（高吸附热或特定相互作用）而对干扰气体亲和力弱。设计策略应围绕这些目标展开，并结合实际应用场景考虑稳定性、响应/恢复时间等因素。需要明确设计原则（如匹配孔道尺寸、引入特定活性位点、调控表面化学环境），并给出具体的实现方法（如选择合适的金属节点和有机连接体、引入功能基团、进行后合成修饰等）。*答案：设计高灵敏度和高选择性的MOF气体传感器用于检测特定VOCs，需要考虑以下关键因素和策略：1.高比表面积和适宜孔径：选择或设计具有高比表面积和与目标VOC分子尺寸相当的孔径的MOF，以确保足够的吸附位点并利于气体扩散进入孔道，从而提高灵敏度。2.强相互作用机制：引入能够与目标VOC分子发生强相互作用的功能位点。例如，如果目标VOC是极性分子，可以选择含有路易斯酸位点的MOF（如Zn,Co等金属中心）或表面具有极性官能团（如-OH,-COOH）的MOF，通过酸碱相互作用或偶极-偶极作用增强吸附。如果目标VOC是路易斯碱，则选择含有路易斯酸位点的MOF。对于需要发生化学吸附的情况，可设计含有可氧化还原的金属位点的MOF。3.高选择性：通过结构设计实现对目标VOC的特异性识别。这可以通过精确调控孔道尺寸和形状，使MOF的孔道环境与目标VOC分子高度匹配（“尺寸效应”或“形状效应”），同时对结构相似或极性相近的干扰VOC分子缺乏亲和力。此外，引入特定的识别基团或位点，使其仅与目标VOC发生强相互作用，而忽略其他气体。4.功能化修饰：对MOF进行后合成功能化，如引入与目标VOC具有特定识别能力的官能团（例如，对于氨气NH3，可以引入路易斯酸位点；对于甲醛HCHO，可以引入胺基等）。功能化可以显著提高传感器的选择性。5.优化传感界面：考虑MOF材料与传感器的其他部分（如电极材料）的界面性质，确保良好的电子传输和信号响应。6.稳定性考虑：选择或设计结构稳定、化学性质稳定的MO