2025年化学工程与技术(新能源化工)专业真题考试试题及答案

2025年化学工程与技术(新能源化工)专业练习题考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种储氢方式的体积储氢密度最高？A.高压气态储氢（70MPa）B.低温液态储氢（20K）C.金属氢化物储氢（LaNi5）D.吸附储氢（活性炭）2.锂离子电池中，常用作正极材料且具备橄榄石结构的是？A.LiCoO₂B.LiMn₂O₄C.LiFePO₄D.LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂3.太阳能光热发电中，塔式系统的聚光比通常为？A.10100倍B.1001000倍C.100010000倍D.10000100000倍4.生物质快速热解的主要产物中，生物油的质量占比约为？A.10%20%B.30%40%C.50%75%D.80%90%5.质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作温度范围通常为？A.2580℃B.150200℃C.600800℃D.8001000℃6.二氧化碳电还原制乙烯的主要阴极催化剂是？A.铂（Pt）B.金（Au）C.铜（Cu）D.银（Ag）7.碱性水电解制氢中，常用的电解质是？A.H₂SO₄溶液B.KOH溶液C.NaCl溶液D.HCl溶液8.锂离子电池首次充放电过程中，SEI膜主要形成于？A.正极表面B.负极表面C.电解质内部D.隔膜表面9.以下哪种技术属于第二代生物燃料制备工艺？A.玉米淀粉制乙醇B.秸秆纤维素制乙醇C.大豆油制生物柴油D.微藻制生物柴油10.热化学储热材料中，碳酸钙（CaCO₃）分解/合成反应的储热温度约为？A.200300℃B.400500℃C.700900℃D.10001200℃二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.以下属于新能源化工中“绿氢”制备技术的是？A.天然气重整制氢（SMR）B.碱性水电解制氢（AWE）C.质子交换膜电解制氢（PEM）D.光催化分解水制氢（PEC）2.影响生物质气化过程产气组成的关键因素包括？A.原料种类（木质素/纤维素含量）B.气化温度C.气化剂（空气/水蒸气/氧气）D.催化剂添加（如镍基催化剂）3.锂离子电池电解液的主要成分包括？A.锂盐（如LiPF₆）B.有机溶剂（如碳酸乙烯酯EC）C.成膜添加剂（如氟代碳酸乙烯酯FEC）D.导电剂（如乙炔黑）4.二氧化碳捕集（CCUS）技术中，属于燃烧后捕集的方法有？A.胺液吸收法（MEA）B.膜分离法C.富氧燃烧法D.钙循环法（CaO/CaCO₃）5.关于钠硫电池的描述，正确的是？A.工作温度约300350℃B.正极活性物质为硫（S）C.电解质为β氧化铝陶瓷D.适用于大规模静态储能三、填空题（每空2分，共20分）1.新能源化工中，“蓝氢”指通过__________技术制备并结合碳捕集的氢气。2.锂离子电池负极材料石墨的理论比容量为__________mAh/g（保留整数）。3.太阳能光伏电池中，HJT（异质结）电池的核心结构是__________。4.生物质气化的主要产物是__________（填主要成分分子式）。5.固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质材料通常为__________。6.二氧化碳加氢制甲醇的主反应方程式为__________（需配平）。7.液流电池中，全钒液流电池的正负极电解质分别为__________和__________（填离子价态）。8.氢燃料电池汽车的“氢安全”核心指标包括氢气泄漏浓度阈值（通常≤__________%体积比）。四、简答题（共30分）1.（6分）简述甲醇水蒸气重整制氢的主要反应路径及工艺关键参数（温度、催化剂类型）。2.（8分）对比分析磷酸铁锂（LiFePO₄）和三元材料（NCM）作为锂离子电池正极的优缺点（从比容量、循环寿命、热稳定性、成本四方面）。3.（8分）说明光催化分解水制氢的“Z型机制”与传统“双助催化剂机制”的区别，并解释其优势。4.（8分）开放型问题：针对我国“双碳”目标，提出一项新能源化工领域的技术创新方向（需结合具体反应/工艺，说明技术可行性及预期效益）。五、计算题（共35分）1.（10分）甲烷水蒸气重整制氢反应：CH₄(g)+2H₂O(g)⇌CO₂(g)+4H₂(g)。已知298K时各物质的标准生成焓ΔHf°（kJ/mol）：CH₄(74.8)、H₂O(241.8)、CO₂(393.5)、H₂(0)。计算该反应在298K时的标准反应焓ΔH°，并判断反应是吸热还是放热。若实际操作温度为800℃，忽略温度对ΔH的影响，计算生产1000m³（标准状态）氢气所需的热量（假设反应完全，气体摩尔体积为22.4L/mol）。2.（12分）某锂离子电池生产线上，采用LiCoO₂作为正极材料，石墨作为负极材料。已知正极材料中LiCoO₂的质量占比为92%（其余为导电剂和粘结剂），负极材料中石墨的质量占比为95%。电池设计容量为2.5Ah，LiCoO₂的实际比容量为140mAh/g，石墨的实际比容量为330mAh/g（注：1Ah=1000mAh）。（1）计算正极所需LiCoO₂的质量（g）；（2）计算负极所需石墨的质量（g）；（3）若电池总质量为40g，计算正负极材料的质量占比之和（保留两位小数）。3.（13分）某生物质气化炉以玉米秸秆为原料（元素分析：C48%、H6%、O43%、N1%，质量分数），采用空气气化（空气中O₂体积分数21%，N₂79%）。假设气化后产物为CO、H₂、CO₂、CH₄和N₂，且碳转化率为95%，氢转化率为90%，氧元素全部转化为CO、CO₂和H₂O（液态）。（1）写出玉米秸秆的简化分子式（以100g原料为基准，忽略N）；（2）计算100g原料气化后生成的CO、CO₂、CH₄总物质的量（假设H₂O为液态，CH₄中C来自未完全转化的碳，且n(CO):n(CO₂)=3:1）；（3）若气化剂空气的流量为500L/min（标准状态），计算气化炉的碳处理速率（kg/h）。答案及解析一、单项选择题1.B（液态储氢密度约70.8kg/m³，高压气态约40kg/m³，金属氢化物约1530kg/m³，吸附储氢约2030kg/m³）2.C（LiFePO₄为橄榄石结构，其余为层状或尖晶石结构）3.B（塔式系统聚光比通常1001000倍，槽式约10100倍，碟式可达100010000倍）4.C（快速热解生物油收率50%75%，慢速热解以木炭为主）5.A（PEMFC因质子交换膜（如Nafion）耐温性限制，工作温度2580℃）6.C（铜基催化剂对C2产物（如乙烯）选择性较高）7.B（碱性电解常用KOH或NaOH溶液，浓度20%30%）8.B（SEI膜（固体电解质界面膜）形成于负极（石墨）表面，由电解质分解生成）9.B（第二代生物燃料以非粮生物质（如秸秆）为原料，第一代是粮食/油脂）10.C（CaCO₃分解温度约825℃，储热温度700900℃）二、多项选择题1.BCD（绿氢指可再生能源电解水或光解水制氢，SMR为灰氢/蓝氢）2.ABCD（原料成分、温度、气化剂类型及催化剂均影响产气（H₂、CO、CH₄等）组成）3.ABC（导电剂属于电极材料，非电解液成分）4.AB（富氧燃烧属于燃烧中捕集，钙循环为燃烧前或燃烧后）5.ABCD（钠硫电池需高温熔融钠和硫，β氧化铝为固体电解质，适合电网储能）三、填空题1.化石燃料重整（或天然气重整）2.372（石墨理论比容量为372mAh/g）3.非晶硅/晶体硅异质结（或aSi/cSi异质结）4.H₂、CO、CH₄（或写分子式：H₂,CO,CH₄）5.氧化钇稳定氧化锆（YSZ）6.CO₂+3H₂⇌CH₃OH+H₂O（配平系数1:3:1:1）7.V⁵+/V⁴+；V³+/V²+（正极：VO₂⁺/VO²⁺；负极：V³+/V²+）8.4（氢气爆炸下限为4%体积比，泄漏阈值通常设为1%或更低，但安全标准中核心指标为4%）四、简答题1.答案要点：主要反应路径：主反应CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂（ΔH=+49.5kJ/mol），副反应CH₃OH→CO+2H₂（ΔH=+90.7kJ/mol）。工艺关键参数：温度200300℃（过低反应慢，过高副反应加剧）；催化剂常用CuZnAl氧化物（铜基催化剂，提高甲醇转化率和H₂选择性）。2.答案要点：比容量：三元材料（NCM）＞LiFePO₄（NCM约180220mAh/g，LiFePO₄约160170mAh/g）；循环寿命：LiFePO₄＞三元材料（LiFePO₄循环次数＞3000次，NCM约10002000次）；热稳定性：LiFePO₄＞三元材料（LiFePO₄分解温度＞500℃，NCM约200300℃，易释放O₂引发热失控）；成本：LiFePO₄＜三元材料（Fe资源丰富，Co/Ni价格高）。3.答案要点：传统双助催化剂机制：光催化剂（如TiO₂）受光激发产生电子（e⁻）和空穴（h⁺），电子迁移至产H₂助催化剂（如Pt）还原H⁺为H₂，空穴迁移至产O₂助催化剂（如Co₃O₄）氧化H₂O为O₂。但电子空穴复合率高，效率低。Z型机制：模拟自然光合作用，采用两种光催化剂（如BiVO₄和CdS），通过氧化还原介质（如IO₃⁻/I⁻）连接。BiVO₄的h⁺氧化H₂O为O₂，CdS的e⁻还原H⁺为H₂，中间介质传递电子，抑制复合，提高量子效率（可达10%以上，传统机制通常＜5%）。4.示例答案（需符合开放性要求）：技术方向：二氧化碳电催化还原制甲酸（HCOOH）。技术可行性：采用Sn基催化剂（如SnO₂/C），在流动型电解池中，以KHCO₃溶液为电解质，阴极电势1.0V（vsRHE）下，甲酸法拉第效率可达90%以上（文献报道）。预期效益：①碳利用：将CO₂转化为高附加值化学品（甲酸是重要化工原料，年需求超百万吨）；②能源耦合：利用风电/光伏等间歇性电力驱动电解，解决可再生能源消纳问题；③减排：相比传统甲酸生产（甲醇氧化法，排放CO₂），该工艺每生产1吨甲酸可净减排1.3吨CO₂（生命周期分析）。五、计算题1.解答：（1）ΔH°=ΣΔHf°(产物)ΣΔHf°(反应物)=[ΔHf°(CO₂)+4ΔHf°(H₂)][ΔHf°(CH₄)+2ΔHf°(H₂O)]=[393.5+4×0][74.8+2×(241.8)]=393.5(74.8483.6)=393.5+558.4=+164.9kJ/mol（吸热）。（2）1000m³H₂的物质的量n=1000×1000L/22.4L/mol≈44642.86mol。由反应式，4molH₂对应164.9kJ，故总热量Q=(44642.86mol/4mol)×164.9kJ≈1,842,500kJ≈1842.5MJ。2.解答：（1）正极LiCoO₂质量m1=容量/比容量=2500mAh/140mAh/g≈17.86g（注：2.5Ah=2500mAh）。（2）负极石墨质量m2=2500mAh/330mAh/g≈7.58g。（3）正负极总质量=17.86g/0.92（正极材料占比）+7.58g/0.95（负极材料占比）≈19.41g+7.98g≈27.39g。占比=27.39g/40g×100%≈68.48%。3.解答：（1）100g原料中C=48g（4mol），H=6g（6mol），O=43g（2.6875mol），简化分子式为C₄H₆O₂.₆₈₇₅（或约C₄H₆O₂.₇）。（2）碳转化率95%，转化C=4mol×0.95=3.8mol，未转化C=0.2mol（生成CH₄）。设CO为3xmol，CO₂为xmol，则3x+x+0.2（CH₄中C）=3.8→x=0.9mol。故CO=2.7mol，CO₂=0.9mol，CH₄=0.2mol，总物质的量=2.7+0.9+0.2=3.8mol。（3）空气流量500L/min=500×60L/h=30,000L/h，O₂流量=30,000×0.21=6300L/