2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——石墨烯納米材料分子設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的首字母填入括號(hào)內(nèi)。）1.石墨烯最基本的結(jié)構(gòu)單元是？(A)碳原子(B)碳六元環(huán)(C)碳五元環(huán)(D)石墨層2.下列哪種方法通常不用于制備高質(zhì)量的單層石墨烯？(A)機(jī)械剝離法(B)氣相外延生長(zhǎng)法(C)電化學(xué)剝離法(D)直接熱解法3.Raman光譜中，與石墨烯晶格振動(dòng)相關(guān)的特征峰是？(A)G峰和D峰(B)G峰和2D峰(C)D峰和2D峰(D)G峰和呼吸模峰4.氧化石墨烯的官能團(tuán)主要有哪些？(A)羧基、羥基、環(huán)氧基(B)醛基、酮基、醚鍵(C)鹵素、氨基、酯基(D)硅烷醇基、硼基、氮雜環(huán)5.在石墨烯的化學(xué)氣相沉積（CVD）制備過程中，常用的碳源氣體是？(A)CO(B)CH4(C)C2H2(D)CO26.下列哪種技術(shù)常用于測(cè)定石墨烯或石墨樣品的層數(shù)？(A)X射線光電子能譜（XPS）(B)拉曼光譜(C)透射電子顯微鏡（TEM）(D)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）7.石墨烯的“自旋軌道耦合”效應(yīng)主要來源于？(A)碳原子的核磁矩(B)碳原子的電子自旋(C)碳原子間的π鍵(D)石墨烯的層間范德華力8.為了提高石墨烯的導(dǎo)電性，通常會(huì)采取哪種策略？(A)引入邊緣缺陷(B)增加層數(shù)(C)表面官能團(tuán)化（適度）(D)制成褶皺結(jié)構(gòu)9.石墨烯的“場(chǎng)效應(yīng)晶體管”表現(xiàn)出優(yōu)異的場(chǎng)效應(yīng)響應(yīng)，這主要得益于其？(A)高比表面積(B)高機(jī)械強(qiáng)度(C)高載流子遷移率(D)良好的熱穩(wěn)定性10.將石墨烯進(jìn)行官能團(tuán)化處理，主要目的是？(A)降低其導(dǎo)電性(B)提高其在水中的分散性(C)增加其層數(shù)(D)改善其光學(xué)性質(zhì)二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填入橫線上。）1.石墨烯是由碳原子以________鍵形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)單層材料。2.拉曼光譜中，G峰的波數(shù)通常在________cm?1附近，而2D峰的波數(shù)略低于G峰。3.氧化石墨烯的氧化過程通常會(huì)引入________、________和________等含氧官能團(tuán)。4.石墨烯的制備方法主要包括物理方法和________方法兩大類。5.表征石墨烯層數(shù)的常用技術(shù)有掃描電子顯微鏡（________）、原子力顯微鏡（________）和拉曼光譜等。6.石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性源于其離域的________電子。7.通過控制石墨烯的邊緣結(jié)構(gòu)（armchair或zigzag），可以調(diào)控其________性質(zhì)。8.石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，如藥物載體、生物傳感器和________等。9.分子模擬計(jì)算在石墨烯材料的設(shè)計(jì)中可用于預(yù)測(cè)其________、________和穩(wěn)定性等。10.石墨烯的合成工藝條件，如溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間和前驅(qū)體種類等，對(duì)產(chǎn)物的________和________有重要影響。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述機(jī)械剝離法制備石墨烯的基本過程及其主要特點(diǎn)。2.比較化學(xué)氣相沉積（CVD）法和氧化還原法在制備石墨烯方面的主要區(qū)別。3.解釋什么是石墨烯的“缺陷工程”，并列舉兩種常見的缺陷類型及其對(duì)石墨烯性能的影響。4.簡(jiǎn)述X射線光電子能譜（XPS）在表征石墨烯表面元素組成和化學(xué)態(tài)方面的應(yīng)用。四、論述題（每題10分，共20分。）1.論述石墨烯表面官能團(tuán)化對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)（如電學(xué)、光學(xué)、水溶性等）的影響機(jī)制。2.結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，論述石墨烯在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域（如超級(jí)電容器、鋰離子電池）的設(shè)計(jì)思路和面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.A5.B6.C7.B8.C9.C10.B二、填空題1.sp22.15803.羧基；羥基；環(huán)氧基4.化學(xué)5.（選其一即可，如：原子力顯微鏡）；（選其一即可，如：掃描電子顯微鏡）6.π7.電學(xué)8.組織工程9.能帶結(jié)構(gòu)；電子態(tài)密度10.形貌；性質(zhì)三、簡(jiǎn)答題1.機(jī)械剝離法：利用膠帶等軟物質(zhì)在石墨表面反復(fù)粘貼、撕下，逐步將石墨層間分離，最終獲得單層或少數(shù)層石墨烯薄片的過程。特點(diǎn)：所得石墨烯質(zhì)量高（單層純度高），但產(chǎn)率極低，難以大規(guī)模制備。2.主要區(qū)別：*CVD法：在高溫、低壓條件下，通過氣態(tài)前驅(qū)體（如甲烷）在基板表面分解并生長(zhǎng)成石墨烯，產(chǎn)物通常質(zhì)量高、尺寸大、可控性好，易于制備高質(zhì)量薄膜，但設(shè)備要求高，成本相對(duì)較高。*氧化還原法：先將石墨氧化得到氧化石墨烯（GO），然后通過化學(xué)還原去除氧官能團(tuán)，得到石墨烯。該方法成本低、易于控制、產(chǎn)率較高，但還原得到的石墨烯可能含有殘留缺陷和官能團(tuán)，需要進(jìn)一步純化，且可能影響其某些性能。3.缺陷工程：通過引入或調(diào)控石墨烯晶格中的缺陷（如空位、原子替換、邊緣結(jié)構(gòu)等）來定制或改善其性能的一種策略。常見缺陷類型及影響：*空位缺陷：減少了晶格的完美性，可能降低導(dǎo)電性，但也可作為活性位點(diǎn)。*邊緣結(jié)構(gòu)（armchair/zigzag）：邊緣的費(fèi)米能級(jí)位置和態(tài)密度不同，會(huì)顯著影響石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。例如，armchair邊緣通常比zigzag邊緣具有更高的導(dǎo)電性。4.XPS應(yīng)用：XPS利用X射線照射樣品，通過分析逸出的電子的能量分布來測(cè)定樣品表面的元素組成和化學(xué)態(tài)。在石墨烯表征中，XPS可以：*確定元素組成：檢測(cè)石墨烯樣品中含有的元素種類及其相對(duì)含量，判斷純度（如檢測(cè)殘留的金屬催化劑、污染物等）。*分析化學(xué)態(tài)：通過結(jié)合能峰的位置和相對(duì)強(qiáng)度，識(shí)別石墨烯表面存在的各種含氧官能團(tuán)（如C-C,C-O,C=O,COOH等）以及其他雜原子（如N,S等）及其化學(xué)環(huán)境，這對(duì)于評(píng)價(jià)氧化石墨烯的氧化程度和官能團(tuán)分布至關(guān)重要。四、論述題1.官能團(tuán)化影響機(jī)制：*電學(xué)性質(zhì)：引入的含氧官能團(tuán)（如-OH,-COOH）帶有極性，會(huì)破壞石墨烯的sp2雜化軌道和π電子離域體系，在邊緣或缺陷處產(chǎn)生局域電荷，導(dǎo)致載流子濃度降低、遷移率下降，甚至出現(xiàn)能帶開口，使石墨烯從導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體或絕緣體。官能團(tuán)的數(shù)量和位置對(duì)電學(xué)性質(zhì)有顯著影響。*光學(xué)性質(zhì)：含氧官能團(tuán)對(duì)光有吸收作用，且其吸收峰的位置與官能團(tuán)的種類和密度有關(guān)。官能團(tuán)化通常會(huì)增強(qiáng)石墨烯在可見光區(qū)的吸收，并可能改變其熒光特性（如猝滅）。*水溶性：非極性的石墨烯本身不溶于水。引入極性的含氧官能團(tuán)（如-OH,-COOH）增加了石墨烯表面的極性，可以通過氫鍵等相互作用與水分子結(jié)合，從而顯著提高其在水中的分散性。官能團(tuán)的數(shù)量和分布直接影響其親水性。*其他性質(zhì)：官能團(tuán)化還可以調(diào)節(jié)石墨烯的表面能、生物相容性、催化活性等。例如，適量的官能團(tuán)化可以提高石墨烯與基底或其他材料的相互作用力。2.設(shè)計(jì)思路與挑戰(zhàn)：*設(shè)計(jì)思路：*高導(dǎo)電性：制備高質(zhì)量、層數(shù)少（單層或雙層）、缺陷少、邊緣平整（如armchair）的石墨烯，以維持其優(yōu)異的電子傳輸能力。*高比表面積：通過減少層數(shù)、形成多孔結(jié)構(gòu)或與其他材料復(fù)合，增大石墨烯基質(zhì)的比表面積，以提供更多的活性位點(diǎn)或存儲(chǔ)空間。*良好的離子存儲(chǔ)/傳輸：通過表面官能團(tuán)化調(diào)節(jié)石墨烯的本征電化學(xué)電位，或通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如石墨烯/過渡金屬氧化物）來匹配電化學(xué)電位，促進(jìn)電解液中離子的吸附/脫附。同時(shí)，調(diào)控石墨烯的缺陷密度和結(jié)構(gòu)可以影響離子的擴(kuò)散路徑和速率。*結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：在石墨烯表面或內(nèi)部引入功能基團(tuán)或與其他材料（如聚合物、金屬、氧化物）復(fù)合，以提高其在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。*界面工程：優(yōu)化石墨烯與電極基體或其他組分的界面接觸，以降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高器件的整體性能。*面臨的挑戰(zhàn)：*規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯：實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、可控地制備大面積、高純度、少缺陷的石墨烯仍是挑戰(zhàn)。*均勻分散性：石墨烯易于團(tuán)聚，如何在電極材料中實(shí)現(xiàn)均勻分散是保證性能的關(guān)鍵。*官能團(tuán)化的