2025年下学期高二化学学科前沿介绍试题（二）

2025年下学期高二化学学科前沿介绍试题（二）一、选择题（每题3分，共45分）2025年诺贝尔化学奖授予了在"人工光合作用"领域做出突破的科学家团队，其核心成果是开发了基于金属有机框架（MOFs）材料的人工光合系统。下列关于该系统的说法错误的是（）A.该系统可将二氧化碳和水转化为葡萄糖，实现太阳能到化学能的转化B.MOFs材料具有超高的比表面积，能高效吸附和活化二氧化碳分子C.系统中使用的钌基催化剂可降低水分解反应的活化能D.该技术的能量转换效率已超过自然界光合作用的3倍在量子点显示技术中，CdSe量子点的发光波长可通过调控其粒径大小实现精准调节。已知CdSe的禁带宽度（Eg）与粒径（d）的关系为Eg=1.74+1.85/d²（单位：eV），当粒径从3nm减小到2nm时，其发光颜色的变化为（）A.从红光变为绿光B.从绿光变为蓝光C.从蓝光变为紫外光D.从红光变为红外光2025年最新研发的固态锂电池采用硫化物电解质Li₇P₃S₁₁，其电导率达到10⁻²S/cm级别。下列关于该电解质的说法正确的是（）A.属于离子化合物，晶体中存在P³⁻和S²⁻离子B.具有三维离子传导通道，锂离子迁移数接近1C.与金属锂负极接触时会发生剧烈化学反应D.工作温度需控制在80℃以上以保证离子导电性超分子自组装领域中，基于柱芳烃的轮烷分子机器被广泛研究。下列关于柱芳烃的说法错误的是（）A.具有刚性柱状结构，由对苯二酚单元通过亚甲基桥连形成B.可通过主客体相互作用选择性识别有机阳离子C.其空腔尺寸可通过改变烷基链长度进行调控D.与环糊精相比，柱芳烃对客体分子的结合能更低在单原子催化研究中，负载于石墨烯上的单原子铁催化剂（Fe-N-C）展现出优异的氧还原反应（ORR）活性。该催化剂的活性中心结构为（）A.单个Fe原子与周围四个N原子配位形成平面四边形结构B.Fe原子嵌入石墨烯晶格中形成取代型掺杂结构C.Fe原子通过范德华力吸附于石墨烯表面D.Fe原子与石墨烯边缘的羧基形成配位键2025年合成的新型超导材料LaH₁₀在110K温度下实现超导转变，该材料的超导机制为（）A.传统BCS机制，通过电子-声子耦合形成库珀对B.铁基超导机制，由反铁磁自旋涨落介导C.高温超导机制，涉及电荷密度波调制D.拓扑超导机制，表面态形成Majorana费米子在CO₂电化学还原领域，铜基催化剂可将CO₂转化为多种碳氢产物。下列操作条件的改变能提高乙烯选择性的是（）A.增大电解电压使阴极电势更负B.升高温度至80℃C.使用具有(111)晶面的铜纳米立方体D.增加CO₂气体压力至0.5MPa金属有机框架材料UiO-66在水净化领域展现出优异性能，其对水中双酚A的吸附机制主要是（）A.氢键作用B.π-π堆积作用C.静电吸引D.配位交换2025年开发的"分子机器人"能够在DNA轨道上行走并执行cargo运输任务，其动力来源是（）A.ATP水解提供化学能B.光驱动的顺反异构化C.电化学反应产生的电子转移D.酸碱中和反应释放的能量在钙钛矿太阳能电池中，最新研发的无铅锡基钙钛矿材料CsSnI₃具有的优势是（）A.带隙宽度约1.3eV，可更充分利用可见光B.热稳定性明显优于铅基钙钛矿C.载流子迁移率达到1000cm²/V·sD.水氧稳定性大幅提升，无需封装点击化学领域最新发展的"硫醇-烯"光点击反应具有的特点是（）A.需要金属催化剂参与B.反应在水溶液中无法进行C.可在生物体内实现时空可控交联D.反应放出大量热量二维材料黑磷的电子性质具有各向异性，下列物理量在扶手椅方向和锯齿方向差异最大的是（）A.热导率B.光吸收系数C.载流子迁移率D.弹性模量金属有机凝胶（MOGs）作为新型吸附材料，在染料废水处理中表现出高吸附容量。其吸附罗丹明B的主要驱动力是（）A.疏水相互作用B.金属配位作用C.静电引力D.范德华力在固态电解质研发中，Li₁₀GeP₂S₁₂的离子电导率可达10⁻¹S/cm，其高离子导电性源于（）A.晶格中存在大量空位缺陷B.Ge⁴⁺的高电荷密度促进Li⁺迁移C.三维框架结构提供连续离子通道D.S²⁻的弱配位作用降低Li⁺迁移能垒2025年报道的"分子打印机"技术可实现单分子级别的精准合成，其核心原理是（）A.扫描隧道显微镜（STM）的原子操纵技术B.光镊技术捕获单个分子进行组装C.DNAorigami技术的自组装引导D.纳米孔道中的选择性筛分效应二、填空题（每空2分，共30分）新型钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃的晶体结构属于______晶系，其禁带宽度约为______eV，在太阳能电池中主要吸收______光区域。金属有机框架材料HKUST-1的化学式为______，其金属节点为______，可用于______气体的高效吸附分离。共价有机框架（COFs）材料具有______拓扑结构，其合成过程中主要形成的化学键类型是______，与MOFs相比最显著的优势是______。锂硫电池中，硫正极的理论比容量为______mAh/g，实际应用中面临的主要问题是______和______。二维过渡金属硫族化合物MoS₂的______相具有半导体性质，而______相具有金属性，通过______方法可实现两相之间的转变。三、简答题（共25分）（10分）简述金属有机框架材料（MOFs）在CO₂催化转化领域的应用进展，说明不同金属节点（Zn,Cu,Zr）对催化性能的影响机制，并分析该类材料在实际应用中面临的主要挑战。（15分）详细阐述量子点发光二极管（QLED）的工作原理，比较CdSe/ZnS核壳量子点与全无机钙钛矿量子点的光电性能差异，分析QLED在下一代显示技术中的竞争优势及产业化瓶颈。四、计算题（共20分）（10分）已知某有机太阳能电池的活性层由给体材料PM6和受体材料Y6按1:1质量比混合组成，密度为1.2g/cm³。器件结构为ITO/PEDOT:PSS/活性层/PDINN/Al，其中活性层厚度为100nm。计算：（1）活性层的体积质量分数；（2）当器件面积为1cm²时，活性层中PM6的物质的量（PM6的分子量为11200g/mol）；（3）若该器件的短路电流密度为26mA/cm²，开路电压为0.86V，填充因子为72%，计算其能量转换效率。（10分）某MOFs材料具有立方晶胞结构，晶胞参数a=2.5nm，每个晶胞中含有8个吸附位点。在298K下，对CO₂的吸附等温线符合Langmuir模型，当平衡压力为1bar时，吸附量为4.2mmol/g，饱和吸附量为5.6mmol/g。计算：（1）Langmuir吸附平衡常数K；（2）每个吸附位点可吸附的CO₂分子数；（3）当平衡压力为0.5bar时的表面覆盖率θ。五、实验设计题（共30分）（15分）设计一个实验方案，利用水热法合成UiO-66-NH₂金属有机框架材料，并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氮气吸附-脱附三种手段对其进行表征。要求详细说明：（1）实验所需的主要试剂和仪器；（2）具体的合成步骤和工艺参数；（3）三种表征手段的测试条件及预期结果分析。（15分）某研究小组欲制备基于MXene（Ti₃C₂Tₓ）的超级电容器电极材料，并测试其电化学性能。请设计实验方案，包括：（1）Ti₃C₂Tₓ的蚀刻和剥离工艺；（2）电极的制备方法（包括粘结剂选择和涂覆工艺）；（3）电化学性能测试的具体参数（包括电解液选择、电压窗口、扫描速率范围等）；（4）如何通过循环伏安曲线计算电极材料的比电容。六、材料分析题（共30分）（15分）下图为某新型有机光电材料的吸收光谱和循环伏安曲线：（图略：吸收光谱显示在350-750nm有两个吸收峰，分别位于450nm和650nm；循环伏安曲线显示氧化起始电位为0.8V，还原起始电位为-0.6V，均相对于Ag/Ag⁺电极）根据上述数据计算：（1）该材料的光学带隙；（2）HOMO和LUMO能级；（3）判断该材料作为有机太阳能电池给体或受体的可能性，并说明理由。（15分）某研究团队合成了一种新型二维MOF材料，其X射线光电子能谱（XPS）显示Ni2p₃/₂结合能位于855.2eV，比金属Ni的结合能（852.6eV）高出2.6eV。通过X射线吸收精细结构（XAFS）分析发现，Ni原子的配位数为4，第一壳层配位原子为O，键长为1.95Å。结合以上信息：（1）推断Ni原子的氧化态；（2）分析该MOF材料可能的配位环境；（3）预测该材料在电催化OER反应中的活性，并说明理由。七、论述题（共20分）论述题：近年来，"可持续配位化学"概念被提出，要求在配位化合物合成和应用中贯彻绿色化学原则。请结合金属有机框架材料（MOFs）的合成化学特点，从原料选择、合成方法、后处理工艺和循环利用四个方面，阐述实现MOFs材料绿色合成的具体策略，并分析当前面临的主要挑战及可能的解决途径。参考答案及评分标准（部分）一、选择题1.D2.B3.B4.D5.A6.A7.C8.B9.B10.A11.C12.C13.B14.C15.A二、填空题四方；1.55；可见光Cu₃(BTC)₂；Cu²⁺；CO₂周期性；C=N键；化学稳定性高1675；多硫化物穿梭效应；体积膨胀2H；1T；离子插层三、简答题（要点）应用进展：CO₂环加成、氢化还原、光催化还原等；金属节点影响：Zn（路易斯酸性弱，需修饰）、Cu（redox活性中心）、Zr（高稳定性，可嫁接催化位点）；挑战：水热稳定性、循环性、产物分离。工作原理：电子空穴分离与传输；性能差异：量子产率（CdSe/ZnS更高）、稳定性（钙钛矿更差）、光谱范围（钙钛矿可调谐性更广）；优势：色纯度高、响应速度快；瓶颈：毒性