2025年大学《化学》专业题库- 碳纳米管在催化中的应用

2025年大学《化学》专业题库——碳纳米管在催化中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分）1.下列哪种方法通常用于制备单壁碳纳米管？A.电弧放电法B.高温裂解法C.溶胶-凝胶法D.基于碳纳米纤维的刻蚀法2.与块状金属催化剂相比，碳纳米管负载贵金属催化剂通常表现出更高的活性，这主要归因于：A.碳纳米管的高导电性B.碳纳米管的高比表面积C.碳纳米管的酸性表面D.贵金属与碳纳米管之间的协同效应3.在碳纳米管基催化剂用于有机合成时，通过引入含氧官能团（如羟基、羧基）进行改性，其主要目的是：A.提高碳纳米管的热稳定性B.增强碳纳米管的导电性C.增加催化剂的比表面积并提供活性位点D.降低催化剂的成本4.碳纳米管作为加氢催化剂载体时，其优异的机械强度主要体现在：A.催化剂在反应过程中的稳定性B.催化剂的易回收性C.催化剂在高温高压下的结构保持D.催化剂对反应物分子的吸附能力5.在利用碳纳米管进行选择性氧化反应（如选择性氧化脱硫）时，通常需要对其表面进行精确的官能化处理，原因是：A.提高碳纳米管的疏水性B.增强碳纳米管的亲电性C.调控活性位点的酸碱性及种类D.改善碳纳米管的导电网络6.下列哪种表征技术是研究碳纳米管尺寸、形貌和缺陷结构最常用的方法之一？A.X射线光电子能谱（XPS）B.透射电子显微镜（TEM）C.比表面积及孔径分析（BET）D.傅里叶变换红外光谱（FTIR）7.碳纳米管在电催化领域的主要应用不包括：A.构建氧还原反应（ORR）催化剂B.开发二氧化碳还原反应（CO2RR）催化剂C.设计有机电解液电池的电极材料D.用于光催化降解水中的有机污染物8.当碳纳米管作为多相催化剂的载体时，为了提高催化剂的活性和稳定性，通常会采用何种策略？A.尽量减少碳纳米管与活性组分的相互作用B.将碳纳米管高度堆积以减小比表面积C.通过化学或物理方法固定碳纳米管，防止其脱落D.选择具有最大长径比的碳纳米管9.碳纳米管基催化剂在环境催化应用中具有优势，例如用于水中重金属离子的吸附去除，其主要机理通常涉及：A.碳纳米管的氧化还原能力B.碳纳米管表面的酸性位点C.碳纳米管与重金属离子的离子键或配位键合D.碳纳米管产生的超声波效应10.随着碳纳米管催化应用研究的深入，一个重要的挑战是如何实现其：A.高成本制备B.在连续流动反应器中的稳定应用C.使其具有与贵金属相当的催化活性D.在极端条件（高温、高压）下的结构保持二、填空题（每空2分，共20分）1.碳纳米管的基本结构单元是________，根据其壁数不同，可分为________碳纳米管和________碳纳米管。2.碳纳米管的优异导电性源于其________结构和________之间的离域π电子体系。3.在多相催化中，碳纳米管作为载体，可以增大活性组分的________，并提供________位点。4.为了提高碳纳米管作为催化剂载体的性能，常采用________、________等方法对其进行表面功能化改性。5.表征碳纳米管比表面积和孔径常用的方法是________，表征其形貌和结构常用的方法是________。6.碳纳米管基催化剂在光催化应用中，通常需要考虑其对________的吸收能力以及与________的效率。7.碳纳米管在电催化中作为催化剂或载体时，其________和________是影响催化性能的关键因素。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述碳纳米管作为催化剂载体的主要优势。2.简述通过改变碳纳米管表面官能团可以如何调节其催化性能。3.简述碳纳米管在电催化分解水制氢反应中的应用前景和面临的挑战。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述碳纳米管的结构特性（如管径、壁数、缺陷等）与其在加氢催化反应中的活性及选择性之间的关系。2.论述将碳纳米管与其他材料（如金属、半导体、聚合物）复合制备杂化催化剂在提升催化性能方面的优势和可能的研究方向。---试卷答案一、选择题1.D2.B3.C4.C5.C6.B7.D8.C9.C10.B二、填空题1.圆柱状石墨烯片带单层壁多层壁2.碳原子sp²杂化键合3.负载量孔隙4.浸渍法原位生长法5.比表面积及孔径分析（BET）透射电子显微镜（TEM）6.太阳光（或可见光）光生电子7.电导率表面化学性质三、简答题1.答案要点：高比表面积提供更多活性位点；优异的导电性促进电荷转移；良好的热稳定性和机械强度；易于功能化改性以提供特定活性位点；可回收利用等。解析思路：从碳纳米管的基本物理化学性质出发，分析这些性质如何直接或间接地有利于催化反应的进行，例如增大接触面积、加速反应速率、提高稳定性等。2.答案要点：引入含氧官能团（如-OH,-COOH）可增加酸性位点，用于酸催化反应；引入含氮官能团（如-NH2,-NO2）可引入碱性位点或改变电子结构，影响催化活性；官能团还可以作为配位点固定活性组分；官能团种类和密度影响表面电子态和吸附特性。解析思路：分析官能团对碳纳米管表面性质（如酸碱性、电子结构）的影响，以及这些变化如何影响其吸附、活化反应物或与活性组分的作用，从而调节催化性能。3.答案要点：前景：碳纳米管的高导电性和较大的比表面积使其在ORR和HER等反应中具有潜力，可提高电极的电流密度和效率。挑战：如何解决碳纳米管在水溶液中的团聚和分散问题；如何优化碳纳米管与电极基体或电解液的界面接触；如何降低成本；长期运行稳定性和生物相容性等问题仍需解决。解析思路：先阐述碳纳米管在电催化分解水中的优势（基于其物理性质），再重点分析实际应用中遇到的主要障碍和挑战。四、论述题1.答案要点：管径影响吸附能和选择性，通常较管的孔径更小，有利于吸附小分子反应物，可能影响产物选择性（如加氢反应中，小管径可能更有利于生成直链烷烃）；壁数增加通常增大厚度，可能降低电子云密度，影响活性；缺陷（如顶点、空位、石棉结构）可以引入杂化原子或改变局部电子结构，成为新的活性位点或影响反应路径，通常会增加比表面积，可能提高活性，但也可能引入副反应路径。管径和壁数影响电子态密度，进而影响对特定反应物的吸附强度和活化能。解析思路：从碳纳米管的几何结构（管径、壁数）和电子结构（由sp²杂化及缺陷决定）出发，分析这些结构特征如何影响反应物分子在催化剂表面的吸附行为（吸附位点、吸附强度）和表面反应的进行（反应路径、活化能），从而影响催化活性和选择性。2.答案要点：优势：与其他材料复合可以实现优势互补。例如，与金属复合可利用金属的高活性位点；与半导体复合可利用其光催化活性或电荷分离能力；与聚合物复合可改善柔性、导电性或稳定性；杂化结构可能产生协同效应，如提高电子传输效率、增强活性位点稳定性、拓宽光谱响应范围等。研究方向：设计具有特定微观结构和组成（如核壳结构、异质结）的杂化催化剂；研究不同组分之间的界面相互作用及其对催化性能的影响