2025年大学《能源化学》专业题库- 氢氧燃料电池催化剂的失活机制

2025年大学《能源化学》专业题库——氢氧燃料电池催化剂的失活机制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.氢氧燃料电池中，常用的阴极催化剂是________和________的氧化物。2.CO毒化铂基催化剂的机理主要是CO与铂表面形成________，降低了铂的活性位点。3.催化剂烧结是指催化剂在高温下颗粒________和晶粒________的过程。4.积碳失活主要发生在________电极上，是由于反应物不完全转化形成________造成的。5.为了提高催化剂的稳定性，可以采用________制备方法，或者对催化剂进行________处理。二、判断题（每题2分，共10分，正确的划√，错误的划×）1.硫醇对铂基催化剂的毒化作用比CO更强。（）2.催化剂的活性位点越多，其催化活性就越高。（）3.高温运行会加速催化剂的烧结和积碳失活。（）4.选择合适的运行条件可以有效延长催化剂的寿命。（）5.团聚会降低催化剂的比表面积，从而降低其催化活性。（）三、名词解释（每题5分，共20分）1.毒化2.烧结3.积碳4.催化活性位点四、简答题（每题10分，共30分）1.简述CO毒化铂基催化剂的机理。2.简述烧结对催化剂性能的影响。3.简述提高催化剂稳定性的几种方法。五、论述题（每题15分，共30分）1.论述实际应用中，如何控制氢氧燃料电池催化剂的失活问题。2.论述未来氢氧燃料电池催化剂研究方向。试卷答案一、填空题1.铂；钌2.配位键3.合并；长大4.阳极；碳氢化合物5.负载；表面二、判断题1.√2.√3.√4.√5.√三、名词解释1.毒化：指催化剂表面的活性位点被某些物质（毒物）吸附或覆盖，导致催化剂的活性显著降低的现象。*解析思路：本题考察对毒化定义的理解。毒化是催化剂失活的一种重要机制，核心是毒物与活性位点相互作用。2.烧结：指催化剂在高温下，颗粒之间发生合并，以及颗粒内部晶粒长大的过程。*解析思路：本题考察对烧结定义的理解。烧结会导致催化剂比表面积减小，活性位点减少，从而降低催化活性。3.积碳：指在燃料电池阳极，燃料（如烃类）不完全氧化，在催化剂表面形成碳沉积物的现象。*解析思路：本题考察对积碳定义的理解。积碳会覆盖催化剂活性位点，导致催化剂失活。4.催化活性位点：指催化剂表面能够吸附反应物、发生化学转化并释放产物的特定原子、原子团或晶面。*解析思路：本题考察对催化活性位点概念的理解。活性位点数量和性质是决定催化剂活性的关键因素。四、简答题1.简述CO毒化铂基催化剂的机理。*解析思路：CO具有强的配位能力，能够与铂原子形成牢固的配位键，占据铂的活性位点，阻止反应物（如O₂）的吸附和转化，从而显著降低催化剂的ORR活性。同时，CO还能导致铂表面电子结构发生变化，进一步削弱铂与氧气的相互作用。2.简述烧结对催化剂性能的影响。*解析思路：烧结导致催化剂颗粒变大、比表面积减小，活性位点数量减少，从而降低催化剂的比表面积活性。此外，晶粒长大还可能改变催化剂的电子结构和表面形貌，进一步影响其催化性能。严重时，烧结会导致催化剂结构不稳定，最终失去催化活性。3.简述提高催化剂稳定性的几种方法。*解析思路：提高催化剂稳定性的方法主要包括：①改进制备方法：如采用低温合成、表面修饰、核壳结构设计等方法，可以抑制烧结和毒化。②优化催化剂结构：如制备纳米结构催化剂，可以增大比表面积，提高活性位点密度，增强抗烧结能力。③选择合适的运行条件：如控制温度、压力和湿度，可以减缓催化剂的降解速率。④添加助剂：添加一些助剂可以改变催化剂的电子结构，提高其抗毒化和抗烧结能力。五、论述题1.论述实际应用中，如何控制氢氧燃料电池催化剂的失活问题。*解析思路：实际应用中控制催化剂失活需要综合考虑多种因素：①选择合适的催化剂：根据燃料电池的类型和运行条件，选择具有高活性、高稳定性的催化剂。例如，对于PEMFC，需要选择抗CO₂中毒和H₂O氧化能力强的催化剂。②优化催化剂层结构：通过优化催化剂层的厚度、孔隙率、分布等，可以提高催化剂的利用率，减缓其失活。③控制运行条件：避免长时间在高温、高湿度、高CO浓度等恶劣条件下运行，可以减缓催化剂的降解。④定期维护：定期检测燃料电池的性能，及时更换失效的催化剂层。⑤开发新型抗失活催化剂：持续进行基础研究和应用开发，寻找具有更好稳定性的新型催化剂材料，例如非铂催化剂、金属有机框架（MOFs）基催化剂等。2.论述未来氢氧燃料电池催化剂研究方向。*解析思路：未来催化剂研究方向主要集中在以下几个方面：①提高活性：开发活性更高的催化剂，降低燃料电池的活化损失，提高能量转换效率。重点包括非铂催化剂的开发和铂的高效利用。②增强稳定性：开发抗中毒、抗烧结、抗腐蚀、抗积碳能力更强的催化剂，延长燃料电池的使用寿命。③降低成本：开发基于廉价、丰富元素的催化剂，降低燃料电池的成本，推动其商业化应用