2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——金屬材料分子設(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）1.下列哪種化學(xué)鍵或相互作用通常不是驅(qū)動(dòng)金屬與配體形成配合物或超分子結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)力？A.共價(jià)鍵B.離子鍵C.配位鍵D.氫鍵2.在金屬有機(jī)框架（MOF）材料的設(shè)計(jì)中，選擇合適的有機(jī)配體主要基于以下哪個(gè)目標(biāo)？A.配體本身的美觀性B.配體分子量的大小C.配體與金屬節(jié)點(diǎn)形成穩(wěn)定且目標(biāo)結(jié)構(gòu)的連接能力D.配體的顏色是否鮮艷3.金屬納米粒子（如Au,Ag）的表面等離激元共振（SPR）吸收峰位置主要取決于？A.納米粒子的質(zhì)量B.納米粒子的尺寸和形狀C.納米粒子所處的溶劑環(huán)境D.納米粒子內(nèi)部金屬原子的種類4.下列哪種方法通常不用于制備具有特定尺寸和形貌的金屬納米顆粒？A.化學(xué)還原法B.微乳液法C.沉淀法D.分子束外延法5.在設(shè)計(jì)用于催化反應(yīng)的金屬配合物時(shí)，通常需要考慮哪些因素？（多選，請(qǐng)選出所有正確的選項(xiàng)）A.金屬中心氧化態(tài)的穩(wěn)定性B.配體的電子性質(zhì)對(duì)金屬中心電子結(jié)構(gòu)的影響C.配合物在反應(yīng)介質(zhì)中的溶解度D.配合物本身的成本高低6.X射線吸收譜（XAS），包括X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS），主要用于獲取什么信息？A.材料的宏觀力學(xué)性能B.材料表面的化學(xué)狀態(tài)和元素組成C.材料的熱導(dǎo)率D.材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性7.“分子模板法”在金屬無機(jī)物合成中主要利用了什么原理？A.金屬離子在高溫高壓下的自蔓延燃燒B.利用具有特定空腔或通道結(jié)構(gòu)的分子模板控制產(chǎn)物的尺寸、形貌或結(jié)構(gòu)C.通過強(qiáng)酸強(qiáng)堿促進(jìn)金屬離子水解沉淀D.利用超聲波提高反應(yīng)速率8.金屬簇（MetalCluster）通常指由多少個(gè)金屬原子組成的準(zhǔn)球形或類球形原子團(tuán)？A.2-10B.11-100C.101-1000D.>10009.對(duì)于表面改性金屬（如鈦合金表面鍍覆或涂覆功能分子），其主要目的是什么？（多選，請(qǐng)選出所有正確的選項(xiàng)）A.提高金屬的機(jī)械強(qiáng)度B.改善金屬的生物相容性或抗菌性能C.增強(qiáng)金屬的光學(xué)反射性能D.降低金屬的腐蝕速率10.計(jì)算化學(xué)方法在金屬材料分子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括哪些方面？（多選，請(qǐng)選出所有正確的選項(xiàng)）A.預(yù)測(cè)金屬配合物的穩(wěn)定性和反應(yīng)能壘B.模擬金屬納米粒子表面的電子結(jié)構(gòu)和催化活性位點(diǎn)C.指導(dǎo)有機(jī)配體的設(shè)計(jì)以構(gòu)筑特定結(jié)構(gòu)的MOFD.直接替代實(shí)驗(yàn)進(jìn)行材料性能的全面表征二、填空題（每空2分，共20分）1.金屬與配體之間的配位鍵是通過配體上的______原子提供孤對(duì)電子，與金屬中心缺電子的______軌道形成配位鍵。2.在金屬有機(jī)框架（MOF）中，金屬節(jié)點(diǎn)通常稱為______，它們通過配體連接形成一維、二維或三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3.金屬納米粒子表現(xiàn)出“尺寸效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”，其光學(xué)性質(zhì)，如表面等離激元共振吸收峰，對(duì)尺寸變化非常敏感。4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料的______組成和化學(xué)態(tài)，可以得到元素的______信息。5.利用______作為配體，通過自組裝或模板法可以合成具有開放孔道的金屬有機(jī)框架（MOF）材料。6.金屬簇通常具有類似分子的量子尺寸效應(yīng)，其磁學(xué)性質(zhì)可能表現(xiàn)為______（順磁性、鐵磁性等，寫出一種即可）。7.在設(shè)計(jì)具有特定催化活性的金屬配合物時(shí)，除了金屬中心，配體的______和______同樣至關(guān)重要。8.“分子印跡”技術(shù)可以用于制備具有特定識(shí)別位點(diǎn)的金屬配合物或材料，其核心在于利用模板分子制備具有______的印跡孔道或位點(diǎn)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述金屬-配體相互作用的基本原理及其在金屬配合物結(jié)構(gòu)決定中的作用。2.比較化學(xué)還原法和溶膠-凝膠法在合成金屬氧化物納米粒子方面的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述分子自組裝技術(shù)在金屬材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例（至少列舉兩個(gè)）。4.為什么說理解金屬納米粒子的表面效應(yīng)對(duì)于其在催化等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要？四、論述題（每題10分，共20分）1.論述設(shè)計(jì)合成具有特定光學(xué)性能（如可見光催化活性）的金屬配合物時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵因素？請(qǐng)結(jié)合具體實(shí)例說明。2.以金屬有機(jī)框架（MOF）為例，論述分子設(shè)計(jì)思想在構(gòu)建新型功能材料中的指導(dǎo)作用。試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.B解析：金屬與配體形成配合物或超分子結(jié)構(gòu)主要依賴配位鍵、氫鍵、范德華力等弱相互作用或化學(xué)鍵。離子鍵是金屬離子與陰離子之間的作用力，通常不直接描述金屬與配體之間的結(jié)合。2.C解析：MOF材料的設(shè)計(jì)核心是利用有機(jī)配體作為連接體，通過選擇合適的配體種類和結(jié)構(gòu)，控制金屬節(jié)點(diǎn)間的連接方式，從而構(gòu)筑具有目標(biāo)孔道結(jié)構(gòu)、尺寸、化學(xué)環(huán)境的功能材料。3.B解析：金屬納米粒子的SPR吸收峰位置與其尺寸和形狀密切相關(guān)，尺寸越小，共振波長(zhǎng)越長(zhǎng)。形狀（如球形、棒狀、片狀）也會(huì)影響共振峰的位置和強(qiáng)度。4.D解析：化學(xué)還原法、微乳液法、沉淀法都是常用的濕化學(xué)合成金屬納米顆粒的方法，可以通過控制條件制備特定尺寸和形貌的粒子。分子束外延法屬于物理氣相沉積技術(shù)，通常用于制備薄膜材料，不常用于塊狀納米顆粒的尺寸和形貌控制。5.A,B,C解析：設(shè)計(jì)催化配合物需考慮金屬中心能否提供合適的氧化態(tài)并保持穩(wěn)定性；配體的電子給體/受體性質(zhì)能調(diào)節(jié)金屬中心的電子結(jié)構(gòu)，影響反應(yīng)活性；配合物在反應(yīng)介質(zhì)中的溶解度影響其與底物的接觸和反應(yīng)速率。6.B解析：XAS技術(shù)通過測(cè)量吸收譜線的變化來獲取關(guān)于原子周圍局域結(jié)構(gòu)（近鄰原子種類、配位數(shù)、鍵長(zhǎng)）和化學(xué)環(huán)境（價(jià)態(tài)、配體類型）的信息，是研究材料微觀結(jié)構(gòu)的重要手段。7.B解析：分子模板法利用具有特定空腔、通道或形狀的有機(jī)分子作為模板，在金屬離子或前驅(qū)體在該模板限域環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，最終形成的無機(jī)產(chǎn)物（如金屬簇、配位聚合物）會(huì)繼承模板的孔道結(jié)構(gòu)或特定形貌。8.B解析：通常將含有2-10個(gè)金屬原子的原子團(tuán)稱為金屬簇或金屬團(tuán)簇。更大的團(tuán)簇（11-100個(gè)原子）有時(shí)也被單獨(dú)討論，但基本定義范疇通常在10個(gè)原子以下。9.B,D解析：表面改性金屬的主要目的通常是為了改善其表面性能，如提高生物相容性用于植入體、增強(qiáng)抗菌性用于醫(yī)療器械、或降低腐蝕速率用于結(jié)構(gòu)材料。提高機(jī)械強(qiáng)度和光學(xué)反射性能通常不是表面改性的首要目標(biāo)。10.A,B,C解析：計(jì)算化學(xué)可在原子/分子尺度上模擬和預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電子性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理和性能?？捎糜陬A(yù)測(cè)配合物穩(wěn)定性、模擬催化位點(diǎn)、設(shè)計(jì)配體構(gòu)筑MOF等，但不能完全替代所有實(shí)驗(yàn)表征手段。二、填空題（每空2分，共20分）1.配位，d解析：配位鍵的形成涉及配體提供孤對(duì)電子（配位原子，通常是N、O、S等）與金屬中心空的d軌道（或其他雜化軌道）配位。2.金屬節(jié)點(diǎn)解析：在MOF的抽象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，金屬離子或簇作為連接單元，稱為節(jié)點(diǎn)。3.表面等離激元共振解析：納米粒子的光學(xué)性質(zhì)與其尺寸、形狀及表面狀態(tài)有關(guān)，尺寸效應(yīng)導(dǎo)致SPR峰位移動(dòng)，表面效應(yīng)（如表面缺陷、吸附）也會(huì)影響光學(xué)響應(yīng)。4.元素，表面解析：XPS可以直接測(cè)定樣品表面元素組成，并能通過結(jié)合能的變化分析元素所處的化學(xué)環(huán)境，即表面化學(xué)態(tài)。5.含有氮、氧等雜原子的有機(jī)配體解析：許多具有路易斯堿性的有機(jī)配體，如含氮的吡啶、咪唑，含氧的醇、酚、羧酸等，可以作為橋連配體，通過自組裝或模板法構(gòu)建MOF。6.順磁性解析：金屬簇尺寸小，其電子體系受量子尺寸效應(yīng)影響，自旋波函數(shù)不能形成飽和的交換耦合，常表現(xiàn)出與同素塊材不同的磁學(xué)性質(zhì)，如順磁性、量子隧穿效應(yīng)等。7.電子，空間解析：配體的電子性質(zhì)（給電子體或吸電子體）會(huì)影響金屬中心的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其氧化還原電位和催化活性。配體的空間位阻和構(gòu)型會(huì)影響底物的吸附模式和反應(yīng)通道。8.特定形狀或尺寸的孔道解析：分子印跡技術(shù)模擬生物識(shí)別過程，利用模板分子與功能單體在交聯(lián)劑存在下形成印跡位點(diǎn)，去除模板后得到具有與模板分子形狀、尺寸、化學(xué)環(huán)境相匹配的空腔結(jié)構(gòu)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.金屬-配體相互作用的基本原理是配體上的配位原子（如N、O、S原子）提供孤對(duì)電子與金屬離子（或金屬簇、金屬中心）空的價(jià)層軌道（主要是d軌道，或sp、sp2雜化軌道）形成配位鍵。這種相互作用決定了配合物的穩(wěn)定性、幾何構(gòu)型。通過選擇不同種類、電子性質(zhì)和空間位阻的配體，可以調(diào)控金屬中心的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配合物性質(zhì)（如顏色、磁化率、穩(wěn)定性、催化活性等）的精確控制，這是分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2.化學(xué)還原法通常在溶液或分散體系中進(jìn)行，使用還原劑將金屬離子還原成納米顆粒，可以通過添加穩(wěn)定劑或控制反應(yīng)條件（溫度、濃度、還原劑種類）來調(diào)控尺寸和形貌，適用于多種金屬。溶膠-凝膠法通常在溶液狀態(tài)下進(jìn)行水解和縮聚反應(yīng)，形成金屬氧化物或氫氧化物的溶膠，再通過干燥和熱處理得到固體材料，過程相對(duì)溫和，易于控制組成，但通常制備的是較軟的凝膠或無定形粉末，尺寸和形貌調(diào)控的精細(xì)度可能不如化學(xué)還原法。3.分子自組裝技術(shù)利用分子間非共價(jià)相互作用（如氫鍵、范德華力、π-π堆積、靜電作用等）驅(qū)動(dòng)的自發(fā)有序聚集過程，在金屬材料設(shè)計(jì)中可用于：①制備有序的金屬納米陣列或超晶格結(jié)構(gòu)，用于傳感器或光學(xué)器件；②通過嵌段共聚物或表面活性劑模板，控制金屬納米顆粒的尺寸、形狀和分布；③構(gòu)建具有特定孔道結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架（MOF）或金屬基多孔材料，用于氣體儲(chǔ)存或催化。4.金屬納米粒子尺寸在幾納米量級(jí)時(shí)，表面原子數(shù)占原子總數(shù)比例巨大（可達(dá)80%-90%），表面原子具有與內(nèi)部原子不同的配位環(huán)境和高活性。這種表面效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子的光學(xué)性質(zhì)（如表面等離激元共振）、催化活性、磁學(xué)性質(zhì)、熱穩(wěn)定性等與塊體材料顯著不同。因此，在催化等應(yīng)用中，精確控制納米粒子的尺寸、表面狀態(tài)和形貌對(duì)于優(yōu)化其性能至關(guān)重要。四、論述題（每題10分，共20分）1.設(shè)計(jì)合成具有特定光學(xué)性能（如可見光催化活性）的金屬配合物時(shí)，需要考慮以下關(guān)鍵因素：①金屬中心的選擇：金屬的電子結(jié)構(gòu)決定其吸收光譜和氧化還原電位。用于可見光催化的配合物，其金屬中心應(yīng)能在可見光范圍內(nèi)吸收光子，并具有合適的氧化還原電位，使激發(fā)態(tài)能有效地參與催化循環(huán)。例如，Ru(II),Ir(III),Pt(II)等過渡金屬常被用于可見光敏化。②配體的設(shè)計(jì)：配體的電子性質(zhì)（給電子體/吸電子體，共軛程度）能調(diào)控金屬中心的氧化態(tài)和光譜性質(zhì)。配體還可以通過形成特定的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）或金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移（MLCT）吸收，將激發(fā)能量傳遞給催化活性中心。同時(shí)，配體應(yīng)能保護(hù)金屬中心，抑制副反應(yīng)，并可能參與催化循環(huán)。③氧化還原活性單元的設(shè)計(jì)：配合物中除了金屬中心，配體本身也可能具有氧化還原活性，或者可以設(shè)計(jì)分子內(nèi)多重氧化還原中心，以實(shí)現(xiàn)多電子轉(zhuǎn)移的催化反應(yīng)。④結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性：配合物的結(jié)構(gòu)（如配位環(huán)境、對(duì)稱性）會(huì)影響其光吸收效率和能量轉(zhuǎn)移速率。同時(shí)，配合物需要在催化反應(yīng)條件下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和活性中心可逆氧化還原，避免光敏劑降解。例如，設(shè)計(jì)具有開放結(jié)構(gòu)的配合物可能有利于底物的吸附和產(chǎn)物脫附。實(shí)例：設(shè)計(jì)Ru(bpy)32+類配合物，通過改變bpy（2,2'-聯(lián)吡啶）的取代基或引入輔助配體，調(diào)節(jié)其MLCT吸收峰位置進(jìn)入可見光區(qū)，并選擇合適的Ru中心，用于活化分子氧或有機(jī)底物進(jìn)行可見光催化氧化。2.分子設(shè)計(jì)思想在構(gòu)建新型功能材料中起著核心指導(dǎo)作用，它強(qiáng)調(diào)從原子/分子層面出發(fā)，通過合理設(shè)計(jì)組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能單元間的相互作用，來預(yù)測(cè)、調(diào)控和創(chuàng)造材料性能。以金屬有機(jī)框架（MOF）為例：①功能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)：根據(jù)所需功能（如氣體儲(chǔ)存/分離、催化、傳感、發(fā)光等），選擇具有特定電子結(jié)構(gòu)、孔道尺寸、化學(xué)環(huán)境或表面性質(zhì)的金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體。例如，為設(shè)計(jì)高效CO2捕獲材料，需選擇能與CO2形成強(qiáng)相互作用（如配位）的金屬節(jié)點(diǎn)和配體，并設(shè)計(jì)高比表面積和開放孔道的結(jié)構(gòu)。②