2025年大学《资源化学》专业题库- 化学催化剂的合成与应用

2025年大学《资源化学》专业题库——化学催化剂的合成与应用考试时间：______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干后的括号内）1.下列哪种物质不属于化学催化剂？（）A.Pd/C用于加氢反应B.活性炭用于吸附C.Fe催化剂用于合成氨D.ZeoliteL用于裂化反应2.在催化剂表面，吸附了反应物分子后，反应物分子中的化学键发生的变化是？（）A.一定增强B.一定减弱C.可能增强也可能减弱D.不发生任何变化3.下列哪种方法不属于典型的固相合成方法？（）A.沉淀法B.溶胶-凝胶法C.微乳液法D.气相沉积法4.用于测定固体材料比表面积的常用方法是？（）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（BET）D.X射线光电子能谱（XPS）5.下列哪种技术主要用于分析催化剂表面的酸碱性？（）A.活性测定B.程序升温还原（H₂-TPR）C.程序升温脱附（NH₃-TPD）D.比表面积分析（BET）6.某固体催化剂在空气中加热时失去重量，同时表面生成氧化物，这种现象通常与？（）A.催化剂烧结有关B.催化剂中毒有关C.催化剂表面金属氧化有关D.催化剂活性相溶解有关7.在多相催化反应中，催化剂与反应物首先发生的步骤通常是？（）A.产物脱附B.催化剂再生C.反应物吸附D.催化剂活化8.下列哪种催化剂合成方法特别适用于在较高温度和压力下合成催化剂？（）A.沉淀法B.浸渍法C.水热法D.溶胶-凝胶法9.对于用于石油炼制的FCC（流化床催化裂化）催化剂，其重要的性能指标不包括？（）A.活性B.选择性（产轻油）C.稳定性（抗烧结、抗中毒）D.极低的比表面积10.提高催化剂选择性的一个重要途径是？（）A.增大催化剂的比表面积B.调控催化剂的孔结构C.降低催化剂的制备成本D.提高催化剂的机械强度二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.催化剂能改变反应的________，但不能改变反应的________。2.催化剂的作用机理通常可以用________理论或________理论来解释。3.水热合成法通常在________和________条件下进行。4.表征催化剂比表面积和孔结构最常用的方法是________。5.浸渍法是将活性组分负载到载体上的方法之一，其优点之一是________。6.评价催化剂活性通常使用________指标，常用单位是________。7.用于CO₂加氢制甲醇的催化剂，其重要的性能要求包括________、________和________。8.催化剂失活的原因主要有________、________和________。9.绿色化学理念在催化剂设计中的体现，例如要求催化剂具有高________、高________和易于________的特点。10.在资源化学领域，催化剂对于实现________资源的高效转化和利用至关重要。三、名词解释（每小题3分，共15分）1.活性位点2.多相催化3.催化剂中毒4.比表面积5.选择性四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述浸渍法和沉淀法这两种固相合成方法的区别。2.简述BET法测定比表面积的原理。3.为什么说催化剂的孔结构对其催化性能有重要影响？4.在资源化学背景下，开发高效催化剂面临哪些挑战？五、论述题（每小题10分，共20分）1.论述水热合成法在制备资源化学相关催化剂（如生物质催化转化）中的优势和应用前景。2.以一种具体的资源转化反应为例（如合成气制化学品或CO₂转化），阐述催化剂在该反应中起作用的机理，并说明设计高效催化剂需要考虑的关键因素。试卷答案一、选择题1.B2.C3.D4.C5.C6.C7.C8.C9.D10.B二、填空题1.速率；平衡常数2.吸附-活化；中间体3.高温；高压4.BET5.操作简单，易于控制活性组分分布6.转化率；(kg催化剂·h)⁻¹7.活性；选择性；稳定性8.烧结；中毒；失活（如烧结导致）9.效率；选择性；回收10.化学或能源三、名词解释1.活性位点：催化剂表面能够吸附反应物并参与化学转化的特定原子、原子团或化学键。2.多相催化：催化剂和反应物处于不同相（通常是固相催化剂和气相或液相反应物）之间的催化过程。3.催化剂中毒：催化剂的活性因吸附了某些少量杂质（毒物）而显著降低甚至丧失的现象。4.比表面积：单位质量固体物质所具有的表面积，通常用平方米每克（m²/g）表示。5.选择性：催化剂将反应物转化为目标产物的能力，可分为化学选择性和区域选择性。四、简答题1.答：浸渍法是将活性组分（通常是溶液或气体）负载到载体上，活性组分在载体表面或孔内沉积、浓缩并可能发生一定程度的分解和晶化。沉淀法是将载体或活性组分前驱体溶解在溶液中，通过控制条件（如pH、温度）使目标物质以沉淀形式生成，并与载体一起分离、洗涤和干燥。主要区别在于物质的形成方式和负载过程，浸渍法是“引入”负载，沉淀法是“生成”后负载。2.答：BET法是基于物理吸附原理测定固体比表面积的。当气体（如N₂）在低温下吸附在多孔固体表面时，若吸附剂和吸附质分子间作用力属于Langmuir单分子层吸附，且吸附热不随覆盖度变化，则吸附过程符合BET（Brunauer-Emmett-Teller）方程。该方程描述了在一定温度下，气体在固体表面达到平衡时的分压p与吸附量（或相对压力p/p₀）之间的关系。通过测量不同p/p₀下的吸附量，绘制吸附等温线，并利用BET方程拟合数据，可以得到固体的比表面积。3.答：催化剂的孔结构（包括孔径分布、孔体积、比表面积等）显著影响催化剂的性能。首先，孔径大小决定了反应物分子是否能够进入催化剂内部表面，即影响反应物的扩散和接触，微孔可能限制大分子进入，大孔可能导致反应物难以到达活性位点。其次，合适的孔结构有利于反应物和产物的扩散，避免或减缓扩散限制，提高反应速率和催化剂的稳定性（如防止烧结）。此外，孔结构也影响催化剂的比表面积，进而影响活性中心的数量。4.答：在资源化学背景下开发高效催化剂面临的挑战主要包括：①资源本身的复杂性、低品位和多样性，要求催化剂具有极高的选择性、稳定性和抗多种毒物能力；②许多资源转化过程（如CO₂转化、生物质利用）涉及苛刻的反应条件（高温、高压、强酸碱），对催化剂的稳定性要求极高；③开发成本与催化性能的平衡，需要考虑原料、合成、表征、应用等全流程的经济性；④基础研究的深化，需要更深入地理解反应机理，指导催化剂的理性设计；⑤环境友好性要求，催化剂自身及制备过程应尽可能绿色环保。五、论述题1.答：水热合成法在制备资源化学相关催化剂中的优势在于：①能在高温高压液体环境中进行，有利于合成在常温常压下难以稳定存在的金属氧化物、硫化物、盐类或非氧化物催化剂，或获得具有特殊结构和物相的催化剂；②溶剂效应，水或有机溶剂可以调控反应物的溶解度、扩散行为和成核过程，有助于获得粒径小、分布均匀、晶粒细小的催化剂，提高比表面积和活性；③绿色环保，通常使用水作为溶剂，条件相对温和，可以避免一些高沸点有机溶剂的使用，且易于后处理；④结构多样性，高温高压条件有利于形成特殊的晶型、孔道结构或复合材料，满足特定资源转化反应的需求。应用前景广阔，例如在水热条件下合成用于生物质催化降解、小分子有机合成、CO₂转化、氢能利用等领域的催化剂。2.答：以合成气（CO+H₂）制甲醇为例，其催化反应机理通常涉及以下步骤：①CO和H₂在催化剂表面（如负载型Fe基催化剂）的活性位点发生吸附；②吸附的CO和H₂发生化学键的断裂和重组，形成吸附的中间体，如吸附的CHO（甲酰基）或*CH₂OH（甲基）；③吸附的中间体进一步发生脱附或转化，最终生成甲醇分子并脱附。整个过程可能涉及CO的解吸、吸附的C-O键的断裂、氢的插入、甲醇的生成和脱附等多个表面反应步骤。设计高效催化剂需要考虑的关键因素包括：①活性中心的构建，如选择合适的金属前驱体（如Fe,Cu,Zn等）并优化其分散度、电子结构；②载体材料的选择，载体影响活性中心的分散、稳定性、酸碱性和孔结构，常用载体有SiO₂,α-Al₂O₃,ZrO₂等；③助剂