2025年大学《资源化学》专业题库- 石墨烯基复合材料的制备及性能研究

2025年大学《资源化学》专业题库——石墨烯基复合材料的制备及性能研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列选项中，只有一项符合题意。）1.下列哪种方法通常不用于制备高质量的单层石墨烯？A.机械剥离法B.氧化还原法C.外延生长法D.激光消融法2.石墨烯基复合材料的优异导电性主要归因于其具有：A.大量的孔洞结构B.极高的比表面积C.石墨烯片层间的范德华力D.碳原子sp2杂化形成的离域π电子体系3.在制备石墨烯/金属氧化物复合材料时，选择合适的分散剂主要是为了：A.提高材料的导热性B.增强材料的力学强度C.防止石墨烯片层或金属氧化物颗粒在复合过程中团聚D.改善材料的催化活性4.氧化还原法制备石墨烯过程中，通常加入的氧化剂是：A.H2SO4B.HNO3C.K2Cr2O7D.以上都是5.石墨烯基复合材料在超级电容器中的应用主要利用了石墨烯的：A.高熔点B.高导电性和大比表面积C.良好的绝缘性D.强大的吸附能力6.水热法制备石墨烯基复合材料的主要优势之一是：A.成本低廉B.可在高温高压下促进反应，提高产率C.操作简单，无需特殊设备D.对环境友好，绿色环保7.当石墨烯与聚合物复合时，如果希望提高复合材料的导电性，通常需要：A.增加石墨烯的添加量B.使用功能化石墨烯C.优化石墨烯在聚合物中的分散状态D.选择具有高电导性的聚合物基体8.下列哪种性能不是石墨烯本身所具有的？A.极高的杨氏模量B.超强的力学强度C.极低的电导率D.高导热性9.在石墨烯基催化剂载体中，石墨烯的主要作用通常是：A.作为主催化剂B.提供高表面积以负载更多催化活性组分C.降低催化剂的制备成本D.增强催化剂的机械稳定性10.石墨烯基复合材料用于环境污染治理时，其吸附性能主要依赖于：A.金属氧化物的催化活性B.石墨烯片层的巨大比表面积和孔隙结构C.复合材料的荧光特性D.基体的绝缘性能二、填空题（每空2分，共20分。）1.石墨烯是由碳原子以__________杂化方式构成的二维蜂窝状晶格结构单层材料。2.常见的石墨烯制备方法包括物理法中的__________剥离法和化学法中的氧化还原法。3.石墨烯基复合材料的性能往往表现出__________效应，即复合材料整体性能优于各组分单独性能之和。4.在石墨烯的氧化还原制备过程中，通常先用__________等强氧化剂对石墨进行氧化，然后在溶剂中通过还原剂（如__________）将氧化石墨还原为石墨烯。5.石墨烯基复合材料在锂离子电池中的应用，通常利用其作为__________材料，以提高电池的倍率性能和循环寿命。6.为了提高石墨烯在聚合物基体中的分散性，常需要对石墨烯进行__________处理。7.石墨烯与金属氧化物复合时，良好的界面结合是发挥协同效应、提升复合材料性能的关键。8.水热法是一种在__________和__________条件下进行的合成方法，常用于制备石墨烯基复合材料。9.石墨烯的优异导热性源于其碳原子sp2杂化形成的__________，允许声子（热振动）高效传输。10.石墨烯基复合材料的环境友好性评价，除了考虑其优异性能外，还需关注其制备过程的__________以及废弃后的回收处理问题。三、简答题（每小题5分，共20分。）1.简述机械剥离法制备石墨烯的基本原理及其主要优点。2.比较溶液混合法和原位生长法制备石墨烯基复合材料在原理和特点上的主要区别。3.为什么说石墨烯的官能团对其在复合材料中的性能有重要影响？4.简述石墨烯基复合材料在能源存储领域（如超级电容器）提升储能性能的主要途径。四、论述题（每小题10分，共30分。）1.论述石墨烯/聚合物复合材料的结构设计对其电学性能的影响，并举例说明如何通过调控结构来优化性能。2.结合资源化学专业背景，论述石墨烯基复合材料在资源高效利用或环境污染治理方面的应用潜力和面临的挑战。3.设计一个实验方案，用于制备石墨烯/二氧化锰复合电极材料，并简述其作为锂离子电池负极材料时的结构设计思路和性能提升机制。试卷答案一、选择题1.B2.D3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.B10.B二、填空题1.sp22.机械剥离，还原剂（如hydrazinehydrate或H2SO4）3.协同4.HNO3，hydrazinehydrate(或H2SO4)5.碳基负极6.功能化7.界面结合8.高温，高压9.离域π电子体系10.绿色化三、简答题1.机械剥离法通过物理手段（如用胶带从石墨表面反复粘贴撕拉）将石墨晶体层间剥离，获得单层或少数层石墨烯。其主要优点是可以直接获得高质量、大面积的单层石墨烯，且过程相对简单，但产率低，成本高，难以实现工业化大规模生产。2.溶液混合法是将分别制备好的石墨烯和第二相材料（如纳米颗粒、聚合物）分散在溶剂中，通过搅拌、超声等手段混合，然后通过干燥等方法复合。其原理是利用分子间作用力实现混合。原位生长法是在特定的溶剂或气氛中，通过化学反应直接在基底上生长出石墨烯及其复合材料。其原理是化学反应生成。溶液混合法操作相对简单，但界面结合可能较差；原位生长法可以获得更紧密的界面结合，但工艺控制要求更高。3.石墨烯表面可以存在多种官能团（如羟基、羧基、环氧基等）。这些官能团可以改变石墨烯的表面能、溶解性、与基体的相互作用以及与吸附物质或催化活性物质的相互作用。官能团的存在可以调节石墨烯的导电性，影响其在复合材料中的分散性，并可能提供活性位点或改变复合材料的功能（如吸附、催化）。4.石墨烯基复合材料提升超级电容器储能性能的主要途径包括：①提高电极材料的比表面积和孔隙率，增加电极/电解液接触面积，从而提高电容。石墨烯本身具有高比表面积，复合材料设计需进一步增大有效表面积。②提高电极材料的电子导电性，缩短电子传输路径，降低电阻，提高倍率性能。石墨烯的优异导电性是关键。③优化复合材料结构，确保石墨烯等组分均匀分散，形成连续的导电网络，并实现良好的电接触。④利用石墨烯与其它组分（如金属氧化物、导电聚合物）的协同效应，进一步提升电极材料的电化学性能（如倍率性能、循环稳定性）。四、论述题1.石墨烯/聚合物复合材料的电学性能主要取决于其导电网络的形成和电子传输的效率。结构设计对其性能影响显著：①石墨烯的分散性：分散均匀的石墨烯能形成连续的导电通路，提高复合材料的导电性；分散不均会导致导电网络断裂，性能下降。②石墨烯的含量与分布：适当增加石墨烯含量并均匀分布在聚合物基体中，有助于形成更完善的导电网络，但过量或团聚会适得其反。③复合材料的微观结构：石墨烯与聚合物基体的界面结合情况直接影响电荷转移效率；复合材料是形成片状、纤维状还是点状分散结构，都会影响整体电导率。④石墨烯的尺寸与形貌：单层石墨烯比多层石墨烯导电性更好。通过调控这些结构参数（如使用功能化石墨烯、改变复合方法、调整加工工艺），可以优化石墨烯/聚合物复合材料的电学性能。例如，使用氧化石墨烯原位还原法可以制备石墨烯/聚合物复合材料，通过控制还原剂浓度和反应条件，可以调控石墨烯的还原程度和分散状态，从而优化复合材料的导电性。2.石墨烯基复合材料在资源化学领域具有巨大应用潜力，但也面临挑战。潜力主要体现在：①资源提取与分离：石墨烯及其复合材料（如石墨烯氧化膜、石墨烯/壳聚糖）具有优异的吸附性能和选择性，可用于吸附重金属离子、染料分子、CO2等，在废水处理、气体分离、矿物浮选等领域有应用前景。例如，石墨烯基吸附剂可用于从工业废水中去除重金属，或用于富集稀有金属资源。②催化与材料改性：石墨烯可以作为高比表面积的载体负载催化剂（如贵金属、过渡金属氧化物），提高催化活性、选择性和稳定性，用于资源转化（如化工合成、小分子电催化）。同时，石墨烯也可以改性传统催化剂或吸附材料，提升其性能。③能源存储与转换：石墨烯基复合材料可用于锂离子电池、超级电容器、燃料电池等，提高能量密度、功率密度和循环寿命，助力能源资源的高效利用。面临的挑战包括：①制备成本与规模化生产：高质量石墨烯的制备成本较高，实现大规模、低成本、绿色化生产仍是难题。②复合材料性能的稳定性：在实际应用中，复合材料可能面临腐蚀、磨损、结构坍塌等问题，长期稳定性有待提高。③界面兼容性与均匀分散：如何实现石墨烯与不同基体（金属、陶瓷、聚合物）的良好界面结合以及均匀分散，是影响复合材料性能的关键，也是一大挑战。④环境友好性与安全性：石墨烯的潜在生态风险（如生物毒性、水体持久性）及其废弃后的回收处理问题，需要深入研究。⑤基础理论与性能预测：石墨烯基复合材料的构效关系尚不完全清楚，建立精确的性能预测模型仍有困难。3.实验方案设计：①材料准备：制备氧化石墨烯（GO），可采用改进的Hummers法；准备二氧化锰（MnO2），可选用纳米二氧化锰粉末或通过水热/溶剂热法制备的纳米结构MnO2。②复合制备：将一定量的GO和MnO2分散在去离子水或NMP等溶剂中，超声处理30分钟以上确保均匀分散。然后加入适量交联剂（如双官能团环氧树脂或二醛化的聚合物）和催化剂，在特定温度（如80-120°C）下反应一段时间，使GO与MnO2发生交联或共价连接，形成石墨烯/MnO2复合材料。反应结束后，用去离子水或乙醇洗涤，去除未反应试剂和小分子，冷冻干燥得到固态复合材料。③电极制备：将制备好的石墨烯/MnO2复合材料与导电剂（如SuperP或炭黑）和粘结剂（如聚偏氟乙烯PVDF）按一定比例混合，加入适量溶剂（如NMP）搅拌形成浆料。将浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，刮刀控制厚度，然后在烘箱中干燥，最后在真空烘箱中热处理（如120°C烘箱中预烘12小时，再在惰性气氛烘箱中150-200°C热处理2小时），得到石墨烯/MnO2复合电极片。④结构设计思路：该复合材料旨在利用石墨烯的高导电性和大比表面积提供电子传输通道和负载位点，同时利用MnO2作为锂存储