2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程在交通運輸中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填寫在答題紙上。）1.在鋰離子電池中，用于促進鋰離子在電極材料中嵌入和脫出的關(guān)鍵因素之一是（）。A.電極材料的離子半徑B.電極材料與電解質(zhì)之間的相容性C.電極材料的熱穩(wěn)定性D.電極材料的電子電導(dǎo)率2.汽車尾氣中主要的毒性氣體之一是一氧化碳（CO），常用的三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）中，貴金屬鉑（Pt）和銠（Rh）的作用主要是（）。A.吸附并儲存COB.直接氧化CO為CO2C.催化CO與氧氣反應(yīng)生成CO2D.催化氮氧化物（NOx）的還原3.對于用于氫燃料電池的質(zhì)子交換膜（PEM），其關(guān)鍵的分子工程要求包括（）。A.高機械強度和耐化學(xué)腐蝕性B.高電子導(dǎo)電性和高水合能力C.高離子導(dǎo)電性和良好的選擇性（對H+）D.高熱穩(wěn)定性和低透氣性4.下列哪種材料或結(jié)構(gòu)不屬于分子篩在汽車尾氣凈化或吸附式儲氫中的應(yīng)用范疇？（）A.具有精確孔徑分布的沸石分子篩B.高表面積活性炭C.MOFs（金屬有機框架）材料D.碳納米管陣列5.汽車輕量化是提高燃油經(jīng)濟性和減少排放的重要途徑，以下哪種材料利用了分子設(shè)計的理念來實現(xiàn)輕質(zhì)化和高性能？（）A.鋁合金B(yǎng).玻璃纖維增強塑料（GFRP）C.碳纖維增強聚合物（CFRP）D.鈦合金6.分子傳感器在智能交通系統(tǒng)中可用于檢測（）。A.道路結(jié)冰情況B.車輛輪胎壓力C.空氣中的揮發(fā)性有機物（VOCs）或酒精D.車輛速度7.在設(shè)計用于電動汽車的高能量密度電池材料時，分子工程主要關(guān)注如何（）。A.提高材料的密度B.增加材料的比表面積C.優(yōu)化材料的晶格結(jié)構(gòu)以容納更多活性物質(zhì)或提高離子擴散速率D.降低材料的制備成本8.氫燃料電池的陽極反應(yīng)主要涉及（）。A.氫氣分子在催化劑表面解離并釋放質(zhì)子和電子B.氧氣分子在催化劑表面接受質(zhì)子和電子形成水C.質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中擴散到陰極D.電子通過外部電路從陽極流向陰極9.可生物降解的汽車潤滑油或塑料包裝材料，其分子設(shè)計的目標(biāo)是實現(xiàn)（）。A.更高的熱穩(wěn)定性和更長的使用壽命B.在特定環(huán)境條件下（如有氧、濕氣）能夠被微生物分解C.更高的機械強度和耐磨性D.更好的導(dǎo)電性能10.分子動力學(xué)模擬在交通運輸材料研究中可用于（）。A.直接測量材料的力學(xué)性能B.預(yù)測分子尺度上的結(jié)構(gòu)演變、擴散行為和相互作用C.設(shè)計全新的化學(xué)合成路線D.精確控制材料的宏觀制備工藝參數(shù)二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在答題紙上。）1.分子篩材料（如沸石）的核心優(yōu)勢在于其具有______的孔道結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Ψ肿舆M行______。2.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的關(guān)鍵功能是允許______通過，同時阻止______和______通過。3.汽車尾氣中的氮氧化物（NOx）通常在______催化劑的作用下被還原為氮氣（N2）。4.設(shè)計用于吸附儲氫的材料時，分子工程需要關(guān)注提高材料的______和優(yōu)化其______。5.分子印跡技術(shù)可以用于制備具有特定______的傳感器或催化劑，以選擇性識別或催化交通相關(guān)的目標(biāo)分子。6.提高鋰離子電池能量密度的一個重要策略是開發(fā)具有更高______的電極材料。7.智能交通材料應(yīng)具備能夠______或______外界信息并做出相應(yīng)響應(yīng)的特性。8.碳納米管因其優(yōu)異的______和______，被認(rèn)為是制備高性能車用傳感器或儲氫材料的有潛力的候選者。9.催化轉(zhuǎn)化器中，貴金屬催化劑的______和______是影響其長期性能的關(guān)鍵因素。10.分子設(shè)計在開發(fā)高效、低成本的汽車用太陽能電池（如鈣鈦礦太陽能電池）材料方面發(fā)揮著______作用。三、簡答題（每小題5分，共15分。請將答案填寫在答題紙上。）1.簡述分子識別在開發(fā)選擇性吸附材料（例如用于汽車尾氣凈化或儲氫）中的基本原理。2.比較鋰離子電池中正極材料LiCoO2和LiFePO4在結(jié)構(gòu)、性能（如電壓、循環(huán)壽命、安全性）和分子設(shè)計角度的主要差異。3.簡述分子傳感器用于檢測汽車排放中特定污染物（如CO或NOx）的基本原理。四、論述題（每小題10分，共20分。請將答案填寫在答題紙上。）1.論述分子工程在提高燃料電池性能（能量密度、功率密度、壽命、成本）方面的作用和挑戰(zhàn)。2.結(jié)合分子設(shè)計與材料性能的關(guān)系，論述開發(fā)可生物降解汽車輕量化材料（如生物基塑料或天然纖維復(fù)合材料）的潛力和面臨的挑戰(zhàn)。五、計算題（共15分。請將答案填寫在答題紙上。）假設(shè)一種新型鋰離子電池正極材料的理論容量為200mAh/g。在一次充放電循環(huán)中，該材料失去了其初始質(zhì)量的10%。請根據(jù)此信息，估算：（1）該材料在此次循環(huán)中轉(zhuǎn)移的鋰離子數(shù)量（以摩爾數(shù)表示，鋰原子量為6.94g/mol，法拉第常數(shù)為96485C/mol）。（2）若該電池的總?cè)萘繛?000mAh，該正極材料的理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少才能滿足這一總?cè)萘恳?？（假設(shè)負(fù)極材料的容量足夠大，可以忽略不計）六、實驗設(shè)計題（共15分。請將答案填寫在答題紙上。）設(shè)計一個簡單的實驗方案，用于篩選或評價幾種不同分子篩材料（例如，NaY、ZSM-5、Beta）對汽車尾氣中二氧化碳（CO2）的選擇性吸附性能。請說明：（1）實驗所需的主要設(shè)備和試劑。（2）實驗的基本步驟。（3）需要測量的關(guān)鍵參數(shù)以及如何判斷哪種材料具有更好的CO2吸附選擇性。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.D2.C3.C4.B5.C6.C7.C8.A9.B10.B二、填空題（每空2分，共20分。）1.均一孔徑；分離2.質(zhì)子（或H+）；電子；氣體（或O2、H2O）3.選擇性（或三元）4.比表面積；孔道結(jié)構(gòu)（或吸附位點）5.特異性（或識別位點）6.理論容量（或比容量）7.感應(yīng)；響應(yīng)8.電氣導(dǎo)電性；機械強度9.抗中毒能力；穩(wěn)定性（或抗燒結(jié)能力）10.核心三、簡答題（每小題5分，共15分。）1.分子識別基于分子間相互作用的特異性，如范德華力、氫鍵、靜電作用等。通過分子設(shè)計，構(gòu)建具有特定識別位點（孔道、活性中心）的材料，使其能與目標(biāo)分子（污染物）發(fā)生選擇性結(jié)合，從而實現(xiàn)對特定分子的吸附或催化轉(zhuǎn)化。2.LiCoO2：層狀結(jié)構(gòu)，電壓約3.9V，能量密度高，但Co成本高、毒性較高，安全性較差，循環(huán)壽命相對較短。LiFePO4：橄欖石結(jié)構(gòu)，電壓約3.45V，安全性好，循環(huán)壽命長，F(xiàn)e資源豐富、成本低，但電子/離子擴散速率慢，導(dǎo)致倍率性能差。分子設(shè)計上，可針對LiFePO4進行結(jié)構(gòu)改性（如晶格擴大）或表面處理來改善其動力學(xué)性能。3.分子傳感器利用分子識別元件（如酶、抗體、適配體或具有特定空腔/孔道的分子材料）與目標(biāo)分析物分子發(fā)生選擇性相互作用。該相互作用會引起傳感器敏感元件（如電化學(xué)電極、光學(xué)元件）發(fā)生可測量的信號變化（如電流、電壓、電阻、光吸收/發(fā)射強度等），通過測量信號變化即可實現(xiàn)對目標(biāo)污染物濃度的檢測。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.分子工程通過精確設(shè)計分子結(jié)構(gòu)、組成和排列，可以調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)、離子擴散通道、表面性質(zhì)和穩(wěn)定性，從而提高燃料電池性能。例如，設(shè)計高比表面積和高本征活性的電催化劑；構(gòu)建離子/電子傳輸快速通道的電極材料；設(shè)計高穩(wěn)定性和高選擇性的人工膜材料；開發(fā)新型高效穩(wěn)定的電解質(zhì)。挑戰(zhàn)在于：復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預(yù)測；制備工藝與材料結(jié)構(gòu)/性能的精準(zhǔn)控制；成本效益與規(guī)?；a(chǎn)的平衡；長期運行條件下的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。2.開發(fā)可生物降解汽車輕量化材料潛力在于：減少交通運輸領(lǐng)域的塑料垃圾和環(huán)境污染；利用可再生生物質(zhì)資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；可能帶來新的材料性能組合（如輕質(zhì)、高強、可降解）。面臨的挑戰(zhàn)在于：目前生物降解材料的性能（如強度、剛度、耐熱性）通常不及傳統(tǒng)石油基材料；材料降解性能可能與使用環(huán)境（如堆肥條件）要求不匹配；生物降解過程可能產(chǎn)生有害副產(chǎn)物；材料回收和再利用的技術(shù)與成本；規(guī)模化生產(chǎn)和成本控制。五、計算題（共15分。）（1）解：轉(zhuǎn)移鋰離子量m=200mA/h*10%/1000mA/mA*1mol/6.94g/mol*96485C/mol/3600s/hm≈0.0079mol（2）解：正極材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)=總?cè)萘?正極容量*正極材料所需質(zhì)量正極容量=5000mAh*1V/3.45V≈1450mAh/g正極材料所需質(zhì)量=5000mAh/1450mAh/g≈3.45g質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(200mAh/g/1450mAh/g)*100%≈13.8%（注：此計算假設(shè)正極材料完全貢獻容量，且忽略其他組分，實際中負(fù)極容量不可忽略，此為理論估算）六、實驗設(shè)計題（共15分。）（1）設(shè)備：反應(yīng)器（如高壓釜）、氣相色譜儀（GC）或質(zhì)譜儀（MS）用于分析氣體組成、天平、移液管/注射器、樣品管、溫控設(shè)備、壓力傳感器。試劑：待測分子篩樣品（NaY、ZSM-5、Beta）、干燥的CO2氣體、干燥的氮氣（或空氣）作為平衡氣/載氣。（2）步驟：a.將一定量的分子篩樣品在高溫（如500°C）下用干燥氮氣或空氣加熱一段時間，以脫除吸附的水分和其他雜質(zhì)。b.將脫附后的分子篩樣品轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器中，密封。c.在設(shè)定的溫度（如100-200°C）下，用一定流速的干燥CO2氣體脈沖通過裝有分子篩的反應(yīng)器，或者將反應(yīng)器充入一定分壓的CO2。d.保持一定接觸時間后，用氣相色譜儀或質(zhì)譜儀分析反應(yīng)器出口氣體中CO2的殘留濃度?；蛘撸绻妹}沖法，分析收集在接收器中的CO2量。e.重復(fù)步驟c和d，使用干