2025年大学《能源化学》专业题库- 氢氧化学储氢助剂技术在能源化学中的应用

2025年大学《能源化学》专业题库——氢氧化学储氢助剂技术在能源化学中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪一项不属于氢氧化学储氢助剂按照化学键合方式分类的范畴？A.金属氢化物类助剂B.化学吸附类助剂C.非金属氢化物类助剂D.离子液体类助剂2.在燃料电池中，某些储氢助剂被用作氧还原反应（ORR）的催化剂，其主要作用是：A.增加氢气的储存容量B.降低氧还原反应的过电位，提高反应速率C.吸附反应中间体，提高选择性D.物理吸附反应物，降低反应温度3.评价一种储氢助剂在燃料电池应用中的性能，以下哪个指标不是关键考量因素？A.助剂的催化活性B.助剂与电极材料的相容性C.助剂在高温高湿环境下的化学稳定性D.助剂本身的储氢容量（指其作为储氢材料的能力）4.“反应储氢”技术通常指利用化学反应释放或吸收氢气，以下哪个反应不属于典型的反应储氢过程？A.金属氢化物（如LaNi5Hx）的氢化/脱氢反应B.醋酸甲酯与水在催化剂作用下生成氢气和二氧化碳C.水的电解分解反应D.熔融盐电解水制氢5.某种储氢助剂在氢燃料电池中表现出良好的性能，但其成本较高且循环稳定性差。从实际应用的角度看，该助剂的主要问题在于：A.储氢容量不足B.催化活性不够高C.经济性和长期运行的可靠性不足D.对反应物气的选择性差6.在氢能储运领域，储氢助剂技术的应用主要目的是：A.实现氢气的低温液化B.提高储氢材料的储氢密度C.催化水分解制氢D.增强氢气的运输管道强度7.下列哪种材料不常被用作化学储氢的助剂？A.镁基合金B.钛基合金C.铝基合金D.碳纳米管8.提高氢氧化学储氢助剂催化性能的常见途径之一是：A.降低助剂材料的成本B.改变助剂的电子结构或表面形貌C.提高助剂的储氢容量D.增加助剂材料的机械强度9.储氢助剂在促进水电解制氢过程中发挥作用，其主要目标是：A.增加电解槽的体积B.降低电解过电位，提高能量转换效率C.吸附产生的氢气，防止其逃逸D.提高水的纯度要求10.鉴于氢氧化学储氢助剂技术面临的挑战，未来研究的重要方向之一是开发具有高活性、高选择性、高稳定性且低成本的助剂材料，这体现了该领域发展的重要趋势是：A.技术的集成化B.应用场景的多样化C.材料设计的精准化与经济化D.反应条件的温和化二、简答题（每小题5分，共20分）1.简述化学吸附类储氢助剂的作用机理。2.简述储氢助剂在燃料电池中可能存在的副反应及其影响。3.简述选择用于水电解制氢的储氢助剂时需要考虑的关键性能指标。4.简述氢氧化学储氢助剂技术在未来氢能产业链中可能扮演的角色。三、论述题（每小题10分，共30分）1.论述储氢助剂技术应用于燃料电池系统时，其循环稳定性对系统性能和寿命的影响，并分析影响循环稳定性的主要因素。2.比较化学储氢和物理吸附储氢在应用储氢助剂方面的主要区别和各自面临的挑战。3.结合当前能源转型和碳中和目标，论述氢氧化学储氢助剂技术的重要性及其未来发展方向和潜在瓶颈。---试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.D*解析：氢氧化学储氢助剂按化学键合方式主要分为金属氢化物类、非金属氢化物类和化学吸附类。离子液体属于一种特殊的液体电解质，虽然可能在氢储存或传输中有应用，但不属于储氢助剂按化学键合方式的分类范畴。2.B*解析：储氢助剂在燃料电池中作为催化剂，特别是用于氧还原反应时，其核心作用是降低反应的活化能，从而降低过电位，提高反应速率，使电池效率更高。3.D*解析：评价储氢助剂在燃料电池性能时，关键在于其在催化、稳定、电化学兼容性以及反应条件下的表现。助剂本身的储氢容量（指其作为独立储氢材料的能力）与其在燃料电池中作为“助剂”发挥功能的关系不大，不是燃料电池应用场景下的关键指标。4.C*解析：反应储氢是指通过可逆化学反应来储存和释放氢气。水的电解分解是利用电能将水分解为氢气和氧气的过程，属于物理过程而非化学反应储氢。其他选项均涉及化学反应储氢。5.C*解析：成本高直接影响了技术的经济可行性，而循环稳定性差则关系到技术的可靠性和寿命，这两者都是实际应用中必须克服的关键问题。6.B*解析：储氢助剂在氢能储运中的应用，特别是在材料领域，主要目标是提高储氢材料（如储氢合金、固体储氢材料）在车载、固定式储能等场景下的储氢容量和效率。7.D*解析：镁、钛、铝基合金是常见的用于化学储氢（吸放氢）的材料本身或其基体。碳纳米管常作为载体、结构增强体或用于物理吸附氢气的材料，较少直接作为化学储氢的“助剂”。8.B*解析：通过改变助剂的电子结构（如掺杂、表面修饰）或表面形貌（如纳米化、创建缺陷）可以暴露更多的活性位点，调节电子态密度，从而有效提高其催化性能。9.B*解析：储氢助剂在水电解制氢中作为催化剂，主要目标是降低析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的过电位，从而降低电解所需的电压，提高能量转换效率。10.C*解析：未来发展趋势明确指向了开发性能优异（高活性、高选择性、高稳定性）且经济可行的材料，这直接体现了在材料设计层面追求性能卓越与成本效益并重的方向。二、简答题（每小题5分，共20分）1.简述化学吸附类储氢助剂的作用机理。*解析：化学吸附类储氢助剂通过其表面活性位点（如金属原子）与氢气分子发生化学键合（形成氢化物或吸附氢原子），利用吸附能来储存氢。这种吸附通常具有较强的方向性和选择性，吸附和脱附过程是可逆的，并可能伴随一定的活化能降低，有时甚至能改变反应路径。助剂的作用是提供高效的吸附/脱附平台，促进氢的储存与释放。2.简述储氢助剂在燃料电池中可能存在的副反应及其影响。*解析：储氢助剂可能在燃料电池工作环境中参与不必要的副反应。例如，助剂可能与燃料（如氢气）或氧化剂（如氧气、水）发生非目标化学反应，生成副产物（如氢化物、氧化物）；或者助剂本身在电化学过程或环境应力下发生分解、腐蚀。这些副反应会消耗反应物，降低电池效率；生成有害副产物可能污染系统或影响长期稳定性；助剂的分解或腐蚀会破坏电极结构，缩短电池寿命。3.简述选择用于水电解制氢的储氢助剂时需要考虑的关键性能指标。*解析：选择水电解制氢助剂需考虑：①高催化活性：能显著降低HER和OER的过电位；②高选择性好：对目标反应（析氢/析氧）有高选择性，副反应少；③化学稳定性：在强碱性电解液和电解条件下稳定，不易腐蚀或分解；④电化学稳定性：在反复充放电（电解）循环中保持性能稳定；⑤成本效益：材料成本相对较低，制备工艺可行；⑥资源丰富与可回收性。4.简述氢氧化学储氢助剂技术在未来氢能产业链中可能扮演的角色。*解析：该技术可扮演多重角色：①作为高性能催化剂，用于提升水电解制氢、燃料电池电堆性能及效率；②作为储氢材料或助剂，用于开发高容量、长寿命的固体储氢装置或改进储氢合金性能；③在氢气分离、纯化过程中发挥作用，提高氢气品质；④可能应用于车载制氢或便携式氢气供应系统，实现氢气的原位、按需制备与供应。三、论述题（每小题10分，共30分）1.论述储氢助剂技术应用于燃料电池系统时，其循环稳定性对系统性能和寿命的影响，并分析影响循环稳定性的主要因素。*解析：储氢助剂的循环稳定性是指助剂在燃料电池长期运行（经历多次充放电或工作循环）后，其物理化学性质（如结构、组成、表面活性位点）保持不变的能力。这对燃料电池系统至关重要：①直接影响电池的寿命：稳定性差的助剂会逐渐失活或脱落，导致电池性能衰减直至失效，缩短系统寿命。②影响电池的长期可靠性：循环不稳定可能导致电池内部结构破坏、接触不良或产生有害物质，影响系统安全稳定运行。③影响系统效率和经济性：性能衰减快意味着需要更频繁的维护或更换，增加运营成本。影响循环稳定性的主要因素包括：①材料本身的化学惰性：助剂是否易与电池工作环境（高温、酸碱、电化学介质）发生反应。②机械应力：充放电过程中的体积变化、循环载荷可能导致助剂粉化或与基底分离。③电化学腐蚀/溶解：在电化学电位波动下，助剂或其载体可能发生腐蚀或溶解。④界面作用：助剂与电极基体、电解质的界面结合强度和稳定性。⑤材料设计：如纳米结构、表面保护层等设计能有效提高稳定性。2.比较化学储氢和物理吸附储氢在应用储氢助剂方面的主要区别和各自面临的挑战。*解析：化学储氢和物理吸附储氢是两种主要的储氢方式，应用储氢助剂的目的和面临的挑战有所不同。①化学储氢：通过可逆化学反应（如金属氢化物M+H2<->M-Hx）储存氢。应用助剂的目的通常是：提高反应速率（催化）、降低反应能垒、提高循环稳定性、优化反应条件（温度/压力）。助剂本身往往是参与反应的物质或催化剂。面临的挑战：反应动力学慢、放氢/吸氢过程可能需要较高温度/压力、化学键合强导致氢不易释放、部分助剂（如金属氢化物）密度大、循环稳定性差、成本高。②物理吸附储氢：通过范德华力或氢键吸附氢气在材料表面（如活性炭、沸石、金属有机框架MOFs）。应用助剂的目的通常是：提高比表面积、增加吸附位点活性、调节吸附能（选择性吸附）、改善材料疏水性或稳定性。助剂主要是提供吸附能力的载体或基质。面临的挑战：储氢容量相对较低（通常低于化学储氢）、吸附解吸易受温度压力影响（通常在较低温压下易解吸）、材料本身可能不够稳定或易粉化、大规模应用时吸附动力学可能仍需优化。主要区别在于储氢原理（化学键合vs物理作用）、储氢容量、对温度/压力的依赖性以及助剂在过程中的角色（反应物/催化剂vs吸附载体）。3.结合当前能源转型和碳中和目标，论述氢氧化学储氢助剂技术的重要性及其未来发展方向和潜在瓶颈。*解析：在能源转型和碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体受到高度重视，而储氢助剂技术是支撑氢能产业链高效、经济运行的关键环节，其重要性体现在：①提升制氢环节效率：高性能电解水制氢催化剂助剂可降低成本，提高绿氢比例；助剂用于热解、气化等制氢过程可提高效率、降低碳排放。②提高储运环节效率与安全：储氢助剂可用于开发高密度、长寿命的储氢材料或设备，降低储运成本，提高氢气利用效率，并可能助力发展安全、便捷的储运方式。③增强用氢环节性能：燃料电池催化剂助剂可提升电池功率密度和耐久性，促进燃料电池汽车、发电等应用；助剂在氢能合成