2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子結(jié)構(gòu)設(shè)計在能源研究中的應(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。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.在設(shè)計用于光催化水分解的有機光敏劑時，以下哪個分子結(jié)構(gòu)特征通常不利于提高其光催化效率？A.具有合適的能級結(jié)構(gòu)，能有效吸收可見光B.具有較大的共軛體系，以增加電子遷移距離C.分子具有高度對稱性，以減少光生電荷的復(fù)合D.分子中含有易于被氧化的給電子基團，但缺乏有效的電子捕獲位點2.對于設(shè)計燃料電池中的非貴金屬催化劑，以下哪個策略最符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念？A.通過貴金屬表面修飾，大幅提升催化活性B.尋找地球豐度高的元素組成的合金或復(fù)合催化劑C.僅關(guān)注催化劑的初始活性，忽略其長期穩(wěn)定性和耐腐蝕性D.忽略催化劑的成本，優(yōu)先選擇活性最高的材料3.在設(shè)計高效儲氫材料時，以下哪種分子或化學(xué)環(huán)境通常更有利于提高儲氫容量？A.提供強烈的路易斯酸位點以捕獲氫原子B.形成高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，但缺乏有效的儲氫位點C.具有高電子密度的區(qū)域，能穩(wěn)定吸附氫原子D.分子結(jié)構(gòu)松散，易于氫原子擴散但缺乏化學(xué)吸附能力4.分子設(shè)計中，高通量計算篩選方法的主要優(yōu)勢在于？A.能提供詳細的分子間相互作用能量B.可以完全替代實驗驗證C.能夠在短時間內(nèi)評估大量候選分子的性能，并初步篩選出最優(yōu)者D.無需考慮計算資源的限制5.設(shè)計用于提高太陽能電池光捕獲效率的材料時，以下哪個物理參數(shù)不是需要重點考慮的？A.材料的帶隙寬度B.材料的吸收系數(shù)C.光子與材料的相互作用截面D.材料的熱導(dǎo)率6.在設(shè)計用于生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化的酶或仿生催化劑時，以下哪個方面通常不是分子設(shè)計需要重點優(yōu)化的？A.催化中心的電子結(jié)構(gòu)B.底物結(jié)合口袋的大小和形狀C.催化劑的合成成本D.催化劑的穩(wěn)定性和抗失活能力7.分子構(gòu)型（如空間異構(gòu)）對分子在溶液中的自組裝行為和最終功能材料（如膜、超分子結(jié)構(gòu)）的性質(zhì)有重要影響。以下哪種設(shè)計策略可能利用分子構(gòu)型來調(diào)控自組裝？A.設(shè)計具有高度對稱性的剛性分子B.設(shè)計具有手性中心的柔性分子，以形成有序的螺旋結(jié)構(gòu)C.設(shè)計僅含非極性基團的簡單分子，以增強自組裝驅(qū)動力D.設(shè)計原子組成極不相同的雜原子分子，以增加自組裝的復(fù)雜性8.計算分子軌道能級是理解分子電子性質(zhì)和反應(yīng)活性的基礎(chǔ)。在分子設(shè)計中，利用計算得到的軌道信息，以下哪個目標(biāo)通常不是直接目的？A.預(yù)測分子的光譜性質(zhì)B.評估分子作為氧化劑的潛力C.設(shè)計具有特定電子傳輸能力的分子D.精確預(yù)測分子在特定溶劑中的溶解度9.對于設(shè)計用于溫差發(fā)電的熱電材料，除了材料本身的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率外，還需要考慮？A.材料的機械強度B.材料的晶體結(jié)構(gòu)對稱性（影響聲子散射）C.材料的化學(xué)穩(wěn)定性D.材料的制備成本10.分子設(shè)計中所謂的“理性設(shè)計”與“經(jīng)驗/啟發(fā)式設(shè)計”相比，其主要特點在于？A.完全基于實驗結(jié)果進行模仿和改進B.依賴于對基本物理化學(xué)原理的深刻理解，并通過理論計算指導(dǎo)設(shè)計C.主要依賴于運氣和偶然發(fā)現(xiàn)D.只適用于有機分子，不適用于無機材料二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后橫線上）1.設(shè)計高效的光伏材料時，需要平衡材料的__________和__________以實現(xiàn)最佳的光電轉(zhuǎn)換效率。2.在設(shè)計用于二氧化碳還原的催化劑時，除了催化活性外，還需要關(guān)注其__________和選擇性。3.分子設(shè)計中的“分子烙鐵”策略通常利用分子間作用力（如__________、__________）來構(gòu)建有序的超分子結(jié)構(gòu)。4.量子化學(xué)計算在分子設(shè)計中的應(yīng)用包括預(yù)測分子的__________、__________等性質(zhì)，并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。5.設(shè)計儲氫材料時，提高儲氫性能的關(guān)鍵途徑包括增加材料的__________位點、優(yōu)化儲氫位點的__________環(huán)境以及改善氫的擴散路徑。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述分子結(jié)構(gòu)與分子在能量轉(zhuǎn)換過程中（如光能轉(zhuǎn)化學(xué)能）效率之間的關(guān)系。2.簡要說明計算機輔助分子設(shè)計（CAMD）在能源材料開發(fā)中能解決哪些關(guān)鍵問題。3.為什么在設(shè)計用于水分解的催化劑時，抑制光生電荷的復(fù)合至關(guān)重要？四、論述題（每小題10分，共20分）1.論述分子結(jié)構(gòu)設(shè)計在提高鋰離子電池正極材料容量和循環(huán)壽命方面的作用機制。2.結(jié)合具體實例，論述如何利用分子設(shè)計原理來改善燃料電池的電極催化性能。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.D6.C7.B8.D9.B10.B二、填空題1.吸收光譜范圍；帶隙寬度2.穩(wěn)定性3.范德華力；氫鍵4.能級；電子結(jié)構(gòu)5.化學(xué)；電子三、簡答題1.分子結(jié)構(gòu)決定了分子的電子排布、能級結(jié)構(gòu)、與反應(yīng)物/產(chǎn)物的作用方式以及能量轉(zhuǎn)換的效率。例如，合適的能級結(jié)構(gòu)可以促進光子的有效吸收和電荷的生成；優(yōu)化的催化中心結(jié)構(gòu)可以提高能量轉(zhuǎn)換的速率和選擇性；有序的分子排列有利于電荷的分離和傳輸，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。不合理的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致能量損失、電荷復(fù)合增加或催化活性降低，最終影響效率。2.計算機輔助分子設(shè)計（CAMD）可以利用計算工具（如量子化學(xué)、分子力學(xué)、分子模擬）在實驗之前快速評估大量分子的性能，從而縮小候選材料的范圍，減少實驗試錯成本。它可以預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（如能量、光譜、穩(wěn)定性、催化活性等），指導(dǎo)分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，揭示結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，并有助于理解復(fù)雜的反應(yīng)機理，為新型高效能源材料的發(fā)現(xiàn)提供理論指導(dǎo)。3.在水分解過程中，光能或電能被吸收后產(chǎn)生光生電子-空穴對或電生電子-空穴對。這些電荷如果迅速復(fù)合，則無法參與后續(xù)的水分解反應(yīng)，導(dǎo)致能量浪費和催化效率低下。因此，設(shè)計高效的催化劑時，需要通過調(diào)控分子結(jié)構(gòu)（如引入電子受體/給體、構(gòu)建空間隔離的催化位點）來增大電子-空穴對的復(fù)合能壘，延長其壽命，從而提高電荷分離效率，最終提升水分解的整體效率。四、論述題1.分子結(jié)構(gòu)設(shè)計在提高鋰離子電池正極材料容量和循環(huán)壽命方面起著關(guān)鍵作用。提高容量主要通過增加材料單位質(zhì)量或單位體積能夠提供的鋰離子容量實現(xiàn)。*增加容量：可以通過設(shè)計具有更高氧化態(tài)的過渡金屬元素（如釩、鎳、錳、鐵等），利用其豐富的d電子進行氧化還原反應(yīng)；可以通過引入更多的陽離子占位位點或提供更多的陰離子（如氧）參與插入/脫出反應(yīng)；可以通過構(gòu)建具有更多層狀結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)或尖晶石結(jié)構(gòu)的晶體框架，增加鋰離子的存儲空間。例如，設(shè)計層狀氧化物（如Li[NixMnyCoz]O2）時，通過調(diào)整過渡金屬的價態(tài)和比例可以優(yōu)化其電壓平臺和容量。*提高循環(huán)壽命：主要通過提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來解決循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)坍塌和相變問題。設(shè)計時可以考慮：選擇化學(xué)鍵能較強、晶格畸變較小的元素；構(gòu)建具有高對稱性或穩(wěn)定層狀/骨架結(jié)構(gòu)的材料；引入缺陷Engineering（如氧空位、陽離子/陰離子空位）來緩解結(jié)構(gòu)應(yīng)力；表面改性，如包覆或鈍化，防止活性物質(zhì)與電解液的直接接觸和副反應(yīng)。例如，設(shè)計富含鎳的層狀氧化物時，通常需要通過摻雜錳等元素來維持層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止其向橄欖石相或巖鹽相轉(zhuǎn)變?？偠灾?，通過精密的分子（或稱材料化學(xué)）設(shè)計，可以調(diào)控正極材料的組成、結(jié)構(gòu)、電子和離子傳導(dǎo)性，從而在保證高容量的同時，顯著提升其循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率。2.分子設(shè)計原理在改善燃料電池電極催化性能方面有廣泛的應(yīng)用。燃料電池的效率很大程度上取決于電極反應(yīng)（如氧還原反應(yīng)ORR和氫氧化反應(yīng)HRR）的速率，而催化劑是影響這些反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素。分子設(shè)計可以通過以下策略優(yōu)化催化劑：*精準(zhǔn)設(shè)計催化活性位點：電極催化活性通常與活性位點附近的電子結(jié)構(gòu)、幾何構(gòu)型以及與電解質(zhì)/燃料的相互作用密切相關(guān)。可以通過設(shè)計特定的金屬原子簇、合金或單原子催化劑，精確調(diào)控活性位點的電子態(tài)密度和幾何構(gòu)型，使其與反應(yīng)中間體的結(jié)合能最優(yōu)化（即達到Volmer-Horiuti-Tafel機制中的Tafel斜率最小點）。例如，設(shè)計非貴金屬Ni基、Co基合金或M-N-C類催化劑，通過元素摻雜和協(xié)同效應(yīng)，暴露具有高活性的原子或晶面。*增強反應(yīng)物/產(chǎn)物吸附：通過分子設(shè)計，可以調(diào)控活性位點的電子性質(zhì)，使其對反應(yīng)物（如O2、H2）具有更強的吸附能力（降低反應(yīng)能壘），同時對副產(chǎn)物（如OH-、H2O）的吸附能力較弱（避免副反應(yīng)），從而提高反應(yīng)選擇性。例如，設(shè)計酸性位點和堿性位點共存的催化劑，可以促進ORR的質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟。*提高電荷傳輸效率：電極催化過程涉及電荷的轉(zhuǎn)移。可以通過設(shè)計具有良好導(dǎo)電性的材料基體（如石墨烯、碳納米管），或者構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、單原子），縮短電荷在催化劑和電解質(zhì)/電極基體之間的傳輸距離，降低傳輸電阻。同時，設(shè)計有利于