2025年大学《资源化学》专业题库- 离子液体在电化学催化中的应用及机理探讨

2025年大学《资源化学》专业题库——离子液体在电化学催化中的应用及机理探讨考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题10分，共50分）1.请简述离子液体区别于传统溶剂的主要物理化学特性，并列举至少三种这些特性在电化学催化应用中的优势。2.以CO2电催化还原制取化学品为例，说明离子液体可以扮演哪些角色（如电解质、催化剂组分等），并简述其在其中发挥作用的基本原理。3.离子液体基电催化剂的稳定性（包括化学稳定性和电化学稳定性）对其应用至关重要。请从离子液体与催化剂材料相互作用的角度，分析影响稳定性的因素。4.描述离子液体在促进电化学催化过程中传质传荷方面可能采取的机制，并举例说明其如何影响催化反应速率。5.在研究离子液体基电化学反应机理时，原位表征技术具有不可替代的作用。请列举至少三种常用的原位表征方法，并简述其中一种在揭示催化剂-离子液体-电极界面结构变化方面的优势。二、论述题（每题25分，共50分）1.选择一种你熟悉的资源（如生物质、化石燃料副产物等），论述离子液体在对其进行电化学催化转化（如降解、升级、合成目标产物等）方面的应用潜力、面临的挑战以及可能的解决方案。2.结合当前研究进展，论述离子液体作为电解质或催化剂组分在构建高效电化学储能器件（如燃料电池、超级电容器、电池）中的作用机制及其未来发展方向。试卷答案一、简答题1.答案:离子液体区别于传统溶剂的主要物理化学特性包括：极低熔点（大多低于100°C，甚至室温下为液体）、宽电化学窗口（可达数伏甚至十多伏）、高离子电导率（可达传统电解质溶液的数倍至数十倍）、化学稳定性高（热稳定性、氧化还原稳定性好）、低蒸汽压（不易挥发）、可设计性（通过选择不同的阴阳离子组合可调控其性质）。解析思路:要求列出离子液体核心特性，并需结合电化学催化的需求阐述其优势。低熔点便于应用；宽电化学窗口允许更宽的电位扫描和更多样的氧化还原反应；高离子电导率有利于电荷传输，降低欧姆电阻；高化学稳定性保证反应环境不易发生变化；低蒸汽压减少溶剂挥发损失和环境污染；可设计性是其在催化中实现功能导向的关键。2.答案:离子液体在CO2电催化还原中可扮演电解质和催化剂组分两种角色。作为电解质，其宽电化学窗口和良好离子导电性为CO2还原提供了必要的电化学环境，并可能通过离子种类影响CO2在电极表面的吸附；作为催化剂组分，离子液体中的阴离子（如含氧、含氮阴离子）或与催化剂形成的配合物/表面修饰层可以直接参与催化过程，提供活性位点或改变反应路径，例如，某些阴离子能稳定高价的中间体，或与催化剂金属中心形成强配位，影响其电子结构。解析思路:要求明确离子液体的两种功能角色，并解释其作用原理。需指出电解质提供反应介质和导电通路，并可能间接影响反应；催化剂组分则直接参与或促进催化循环，需结合具体阴离子或相互作用机制进行说明。3.答案:影响离子液体基电催化剂稳定性的因素包括：离子液体与催化剂材料之间的相互作用（如物理吸附、化学键合、离子交换），这决定了催化剂表面是否会被离子液体“钝化”或“包覆”；离子液体自身的化学不稳定性（在反应电位或环境条件下是否发生分解或质子化/去质子化）；催化剂材料本身的化学惰性和结构稳定性；离子液体中杂质的催化降解或腐蚀作用；电极电位循环或温度变化对离子液体-催化剂界面结构的破坏。解析思路:要求从离子液体与催化剂的界面相互作用出发，全面分析影响稳定性的内在和外在因素。需涵盖界面化学、离子液体自身性质、催化剂本体性质以及反应环境（电位、温度）的影响。4.答案:离子液体促进电化学催化传质传荷的机制主要有：离子液体的高电导率本身提供了良好的电荷传输能力；离子液体分子（尤其是阳离子）可能通过在电极表面吸附或形成扩散层，增大了电极表面的液相传质表面积，或改变了反应物/产物的扩散路径，从而加速了液相物种的传输；对于多相催化，离子液体可以润湿固体催化剂表面，改善固液接触界面，促进反应物向活性位点扩散和产物从活性位点脱离；某些离子可能参与电子转移过程，充当“离子电子耦合体”。解析思路:要求描述离子液体在传质（物质）和传荷（电荷）两方面对催化过程的促进作用机制。需结合离子液体的低粘度、高电导、表面吸附、润湿性等特性进行解释。5.答案:常用的原位表征方法包括：原位红外光谱（IR）、原位拉曼光谱（Raman）、原位X射线光电子能谱（XPS）、原位X射线衍射（XRD）、原位核磁共振（NMR）、原位电化学阻抗谱（EIS）、原位透射电镜（TEM）、原位扫描电镜（SEM）等。其中，原位红外光谱的优势在于能够直接、灵敏地检测反应过程中气体（如CO2、H2、CH4）或吸附在电极表面的物种的化学键信息，从而追踪反应中间体和表面化学状态的变化，揭示反应机理，且对样品的扰动相对较小。解析思路:要求列举多种常用原位表征技术，并选择一种（如IR）说明其在研究界面结构变化或机理探究中的具体优势。需体现对各种表征技术原理及其在催化研究中的应用范围的了解。二、论述题1.答案:以生物质催化转化为例，离子液体因其独特的性质，在将生物质（如木质纤维素）转化为高附加值化学品方面显示出巨大潜力。其优势在于：高溶解性，能有效溶解纤维素、半纤维素等大分子生物质，使反应物充分接触活性位点；可调控性，可通过选择不同离子液体优化反应条件（如pH、溶剂效应、相行为），甚至直接催化某些转化步骤；稳定性，可承受较苛刻的反应条件，延长催化剂寿命；减少传统溶剂（如水和有机溶剂）的能耗和环境污染。面临的挑战主要包括：高成本限制了其大规模应用；离子液体可能对设备造成腐蚀；废弃离子液体的处理和回收困难；如何高效分离产物与离子液体。解决方案可能包括：开发廉价、可生物降解或可回收的离子液体；设计高效的产物分离回收技术（如膜分离、结晶、溶剂萃取）；将离子液体与固定化催化剂或无机载体结合，实现固液分离；将离子液体催化工艺与下游利用过程整合。解析思路:要求选择一个具体应用场景（生物质转化），论述其潜力（结合离子液体性质）、挑战（经济性、环境、分离等），并提出可能的解决方案。论述需逻辑清晰，论据充分，体现对资源化学领域和离子液体应用的深入理解。2.答案:离子液体在构建高效电化学储能器件中扮演着关键角色。作为电解质，其宽电化学窗口允许器件在更宽的电压范围内工作，提高能量密度；高离子电导率显著降低器件的欧姆阻抗，提高功率密度和效率；低粘度有利于电极反应物和产物的传输；与电极材料的良好相容性可减少界面电阻，提高库仑效率；部分离子液体还可能参与氧化还原反应或作为锂/钠离子等的载体，提供额外的容量。作为催化剂组分，离子液体中的阴离子或阳离子可能与电极材料相互作用，改变其电子结构，提高本征催化活性（如析氢、析氧、CO2还原）；或通过构建特定的三相界面结构，促进传质传荷，提高反应动力学。未来发展方向包括：开发更低成本、更高性能、更安全的离子液体电解质（如固态离子液体、离子液体基固