2025年大学《应用化学》专业题库- 化学合成技术对新材料研究的推动

2025年大学《应用化学》专业题库——化学合成技术对新材料研究的推动考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在答题纸上。）1.下列哪项不是绿色化学合成理念的核心要求？A.提高原子经济性B.减少有害物质使用和产生C.优先选用高效、选择性催化剂D.增加合成步骤以提高产率2.在制备纳米二氧化钛（TiO₂）薄膜时，若希望获得更致密的薄膜，通常需要调整的主要合成参数是？A.提高溶液pH值B.延长沉积时间C.降低沉积温度D.增大前驱体浓度3.溶胶-凝胶法主要用于制备哪种类型的材料？A.金属单质B.纯净无机盐C.陶瓷和玻璃D.有机高分子聚合物4.金属有机框架（MOFs）材料的合成通常需要在哪种环境下进行？A.高真空B.高压釜（水热/溶剂热）C.常压空气D.强碱性环境5.化学气相沉积（CVD）技术制备薄膜的主要优势之一是？A.成本极低B.可大面积均匀沉积C.只能沉积单一元素薄膜D.必须使用液态前驱体6.自组装技术在材料合成中的应用主要体现在？A.通过精确控制分子间作用力构建有序结构B.利用高温高压促进晶体生长C.通过化学键断裂重组原子D.依赖强酸或强碱催化7.微流控合成技术的主要优势在于？A.可制备块状大尺寸材料B.能够实现反应条件的精确控制和高度并行化C.设备简单，成本低廉D.适用于所有类型的合成反应8.对于制备具有特定光学性能（如高量子产率）的量子点材料，合成过程中的关键控制因素通常是？A.反应温度B.前驱体配比C.溶剂种类D.以上所有9.下列哪种合成方法特别适用于制备具有高比表面积和开放孔道的多孔材料？A.气相沉积法B.溶胶-凝胶法C.水热/溶剂热法D.原位聚合法10.在将化学合成技术从实验室研究推向工业化大规模生产时，面临的主要挑战之一是？A.合成产率通常较低B.难以精确控制材料微观结构C.成本过高，能耗过大D.安全性问题难以解决二、简答题（每小题5分，共25分。请将答案写在答题纸上。）1.简述水热合成法的基本原理及其至少两个显著优点。2.解释原子经济性的概念，并举例说明如何提高化学反应的原子经济性。3.比较液相合成法和气相合成法在制备纳米材料时在反应条件、产物纯度、可控性等方面的主要区别。4.简述绿色化学合成对化学合成技术提出的主要要求。5.阐述化学合成技术在推动二维材料研究方面所起的作用。三、论述题（每小题10分，共30分。请将答案写在答题纸上。）1.以金属有机框架（MOFs）材料为例，详细论述合成条件（如前驱体种类、溶剂、温度、压力、添加剂等）对其结构（孔道尺寸、拓扑结构、比表面积）和性能（如吸附性能、催化活性）的影响。2.结合具体实例，论述化学合成技术在开发新型催化材料方面的作用和面临的挑战。3.讨论化学合成技术（特别是新兴合成技术）在未来可持续发展和新材料研究中的发展趋势和重要性。试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分。）1.D2.C3.C4.B5.B6.A7.B8.D9.C10.C二、简答题（每小题5分，共25分。）1.基本原理：在密闭的高压釜中，将反应物置于溶剂（或无溶剂）中，在一定温度（通常高于溶剂的沸点）和压力下进行化学反应。高压和高温可以使通常在常压常温下难以进行或反应速率很慢的反应得以发生。优点：*提供独特的、在常压常温下难以实现的反应环境（高温高压），可以合成常规方法难以制备的材料，或使反应更易于进行。*高温高压有利于晶体的成核与生长，可能获得纯度高、晶粒细小、结构特殊的材料。*密闭系统可防止反应物或产物与空气中的组分（如氧气、水）反应，提高产率和纯度。2.概念：原子经济性是指反应中投入的原料原子有多少百分比最终转化成了期望的产物。它衡量的是一个化学反应的效率，理想情况下原子经济性为100%，即所有原子都被纳入目标产物，没有或很少产生副产物。提高方法举例：*选择催化加氢或催化脱氢等选择性高的反应，避免不必要的副反应。*设计并使用能够促使反应向目标产物转化的不对称催化方法，实现立体选择性。*采用原子经济性更高的合成路线，如从简单前驱体出发，通过多步高效转化直接得到目标分子，减少中间体的分离和废弃。3.区别：*反应条件：液相合成在液体介质中进行，温度和压力相对温和，通常在常压或稍加压强下进行；气相合成在气相中进行，通常需要较高的温度和真空或低压环境，以使反应物气化并维持气相反应。*产物纯度：液相合成产物可能需要额外的纯化步骤（如萃取、重结晶）去除溶剂和副产物；气相合成产物纯度通常较高，易于得到高纯度的固态薄膜或粉末。*可控性：液相合成对纳米材料的尺寸、形貌控制较好，易于通过调节溶液参数实现；气相合成在生长均匀性、大面积制备方面有优势，但对初始形貌的控制相对困难。4.主要要求：*原子经济性高：尽可能使所有投入原子都转化到目标产物中。*减少有害物质：选用无毒、低毒的原料和溶剂，避免产生有害的副产物。*高效节能：采用能量效率高的合成路线和设备，降低能耗。*环境友好：优先选择可生物降解的溶剂，减少废弃物排放，实现过程工业化封闭循环。*高选择性：化学反应具有高化学选择性和区域选择性、立体选择性，减少副反应。*可再生原料：尽可能使用可再生资源作为原料。5.作用：*结构精确控制：化学合成技术能够精确控制二维材料的厚度（单层或少层）、原子排列顺序、缺陷类型和密度，这是制备具有特定物理性质的二维材料的基础。*多功能集成：通过合成方法，可以在二维材料中引入特定的元素进行掺杂，或构筑复合结构，实现多功能集成（如导电-半导体杂化、磁性-光电耦合）。*新种类发现：化学合成是发现和创造新型二维材料（如过渡金属硫化物TMDs、黑磷烯、新型杂化二维材料等）的重要手段。*性能调控：合成过程中的参数（如前驱体、温度、压力、催化剂）可以用来调控二维材料的电子能带结构、光学性质、力学性能等，以满足不同应用需求。*器件制备基础：合成得到的二维材料薄膜或纳米片是制备各类二维材料器件（如晶体管、传感器、光电器件）的关键startingmaterial。三、论述题（每小题10分，共30分。）1.合成条件对MOFs结构性能的影响是多方面且关键的。*前驱体种类：金属离子或团簇的种类直接影响节点的大小和连接方式，进而决定MOFs的拓扑结构（如MOF-5为立方孔道，MOF-5-NH₂在节点上引入氨基，形成更丰富的孔道环境）。有机配体的结构（长度、刚性、官能团）则决定了连接基团的类型和方向，影响孔道的尺寸、形状和化学环境。*溶剂：溶剂的极性、粘度、配位能力等会影响配体的溶解度、金属离子的溶解度以及配体与金属离子的配位速率和配位模式，从而影响MOFs的结晶度、晶粒大小和孔道结构。例如，极性溶剂可能促进配体的配位，影响孔道开放性。*温度：温度影响反应速率和成核过程。较低温度下通常有利于形成较大的晶粒和有序结构，但反应速率慢；较高温度下反应速率快，但可能导致结晶度下降或产生缺陷。溶剂的沸点也与反应温度密切相关。*压力：对于气态前驱体或在水热条件下，压力是重要因素。压力可以影响气体的溶解度、配体的分子形态以及反应平衡，进而影响MOFs的结构。例如，高压有时可以促进形成更紧密的结构。*添加剂：添加剂（如配位体、非配位溶剂、模板剂）可以调控MOFs的结晶过程，影响孔道尺寸和孔隙率。例如，使用模板剂可以引导形成特定的孔道结构或打开原本封闭的孔道。*性能关联：结构上的差异直接导致性能的不同。例如，孔道尺寸和孔隙率决定了MOFs的比表面积和吸附能力；孔道的化学环境（由配体决定）影响了MOFs的催化活性、光响应性、电学性质等。通过精确调控合成条件，可以制备出具有特定结构和性能的MOFs材料，以满足气体储存、分离、催化等应用需求。2.化学合成技术在开发新型催化材料方面起着核心作用。*合成新催化剂：化学合成是创造具有新颖结构和组成的新型催化材料的主要手段。例如，通过水热/溶剂热法可以合成具有高比表面积、特殊孔道结构或多级结构的金属氧化物、硫化物、氮化物等催化剂；通过溶胶-凝胶法可以制备均一的金属氧化物催化剂；通过自组装或模板法可以构筑具有特定原子排列或孔道结构的催化材料。*调控催化剂结构：合成技术允许精确调控催化剂的纳米尺寸（如纳米颗粒、纳米线、纳米管）、形貌（如立方体、八面体、片状）、组成（如单金属、合金、核壳结构）、表面化学状态（如表面官能团、缺陷）等，这些因素对催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命有决定性影响。*实现结构-活性关系研究：通过合成获得一系列具有梯度结构或特定缺陷的催化剂，结合表征手段，可以系统地研究催化剂的结构特征（如活性位点种类、数量、电子结构）与其催化性能之间的关系，为理性设计高效催化剂提供依据。*面临的挑战：尽管合成技术发展迅速，但仍面临挑战，如：如何精确控制催化活性位点的种类和数量；如何提高催化剂在实际反应条件下的稳定性和抗中毒能力；如何实现催化剂的规模化制备与成本控制；如何将合成得到的催化剂与反应器高效集成等。3.化学合成技术在未来可持续发展和新材料研究中的发展趋势和重要性日益凸显。*推动绿色化学进程：发展原子经济性高、溶剂使用少、能耗低、废弃物少的绿色合成方法（如微波合成、超声波合成、光化学合成、固相合成、可回收溶剂体系等）是重要趋势，符合可持续发展的要求。*支撑新能源材料研发：化学合成是制备高效电池电极材料（如锂离子电池的正负极材料、钠离子电池材料）、太阳能电池材料（如钙钛矿、有机光伏材料）、燃料电池催化剂（如铂基或非铂基催化剂）、储氢材料、二氧化碳转化利用材料等的关键技术，对能源转型至关重要。*赋能生物医用材料创新：合成技术可以制备具有特定尺寸、形貌、表面修饰和降解行为的生物相容性材料，用于药物递送、组织工程支架、生物传感器、体内成像等。*促进信息材料发展：新型存储材料、显示材料、传感器材料的开发离不开先进