2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——材料表面修飾化學(xué)：方法與應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪一項(xiàng)不屬于材料表面修飾的物理方法？A.等離子體處理B.化學(xué)氣相沉積C.輻射改性D.表面接枝聚合2.根據(jù)Langmuir吸附等溫線(xiàn)理論，當(dāng)吸附劑表面覆蓋度θ趨近于1時(shí)，吸附量隨氣體分壓P的變化趨勢(shì)是？A.線(xiàn)性增加B.趨于飽和，變化非常小C.快速增加然后趨于平緩D.線(xiàn)性減少3.在浮選工藝中，為了提高有用礦物的可浮性，通常需要對(duì)礦物表面進(jìn)行？A.親水化修飾B.消除靜電荷C.親油化修飾D.增加表面粗糙度4.某材料表面能較高，為了降低其表面能并改善其在液體介質(zhì)中的分散性，最可能采用的表面修飾方法是？A.電鍍B.表面疏水化處理C.填充增重D.表面覆膜5.等離子體處理材料表面時(shí)，其主要作用機(jī)制包括物理濺射和化學(xué)刻蝕，這兩種機(jī)制分別對(duì)應(yīng)哪種類(lèi)型的等離子體處理？A.等離子體刻蝕與輝光放電改性B.等離子體沉積與低溫等離子體處理C.等離子體濺射與輝光放電改性D.等離子體沉積與等離子體刻蝕6.對(duì)于用于催化反應(yīng)的固體催化劑，表面修飾的主要目的之一是？A.增加催化劑的機(jī)械強(qiáng)度B.改變催化劑的比表面積和孔結(jié)構(gòu)C.降低催化劑的生產(chǎn)成本D.增加催化劑的導(dǎo)電性7.下列哪種表面修飾技術(shù)更適用于制備具有特定光學(xué)性質(zhì)（如高反射率、透光性）的薄膜材料？A.水熱合成B.濺射沉積C.溶膠-凝膠法D.原位生長(zhǎng)8.在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)植入材料進(jìn)行表面改性，其主要目的是？A.增強(qiáng)材料的耐腐蝕性B.改善材料的生物相容性C.提高材料的導(dǎo)熱性能D.降低材料的密度9.涂覆法進(jìn)行材料表面修飾時(shí)，選擇涂覆材料的主要考慮因素不包括？A.涂覆材料的化學(xué)穩(wěn)定性B.涂覆層與基底材料的結(jié)合力C.涂覆層本身的成本D.涂覆材料對(duì)基底材料性能的增強(qiáng)效果10.提高材料表面能通常有利于？A.增強(qiáng)其在液體中的潤(rùn)濕性B.增強(qiáng)其表面吸附能力C.提高其機(jī)械強(qiáng)度D.增強(qiáng)其耐候性二、填空題1.材料表面的主要特征是存在一個(gè)界面層，該層內(nèi)的物質(zhì)聚集狀態(tài)通常與體相不同，表現(xiàn)為化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，這種現(xiàn)象源于界面兩側(cè)存在的______。2.表面活性劑是一類(lèi)具有兩親結(jié)構(gòu)的分子，其分子一端親______，另一端親______，能夠降低液體的表面張力或界面張力。3.X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）是表征材料表面元素組成和化學(xué)態(tài)的常用技術(shù)，它基于______原理。4.為了提高固體材料在液體中的分散性，可以通過(guò)增加材料的表面能或進(jìn)行表面______處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。5.水熱法是一種在高溫高壓水溶液或熔鹽介質(zhì)中進(jìn)行材料合成與修飾的方法，其優(yōu)點(diǎn)之一是在高溫高壓下可以抑制______，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)和均勻性。6.表面改性后的材料，其表面潤(rùn)濕性可以通過(guò)測(cè)量______來(lái)定量評(píng)價(jià)。7.在礦物浮選中，捕收劑的作用是選擇性地吸附在目標(biāo)礦物表面，使其表現(xiàn)出親______性，從而在氣泡上附著并上浮。8.等離子體是一種包含自由電子、離子和中性粒子的電離氣體狀態(tài)，其具有高能量、高反應(yīng)活性等特點(diǎn)，可用于材料的表面______、刻蝕和改性。9.表面接枝聚合是指利用表面活性基團(tuán)或預(yù)先形成的表面錨定點(diǎn)，使單體在材料表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，形成一層聚合物薄膜，常用的引發(fā)方式有光引發(fā)、熱引發(fā)和______引發(fā)。10.表面電荷的調(diào)控可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，例如，利用電解質(zhì)溶液中的離子吸附、表面等離激元共振（SPR）效應(yīng)或引入帶電官能團(tuán)進(jìn)行______處理。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述表面張力的概念及其對(duì)液體表面性質(zhì)的影響。2.簡(jiǎn)要比較化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）這兩種薄膜制備方法的原理、特點(diǎn)及主要區(qū)別。3.解釋什么是表面潤(rùn)濕性，并說(shuō)明影響液體在固體表面潤(rùn)濕性的主要因素有哪些。4.闡述表面修飾技術(shù)在提高固體材料吸附性能方面的作用機(jī)制。四、論述題1.結(jié)合資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用背景（如礦物分選、廢水處理、催化劑等），論述表面改性技術(shù)的重要性。2.詳細(xì)討論等離子體處理作為一種材料表面修飾方法的原理、應(yīng)用范圍及其面臨的挑戰(zhàn)。3.以一種具體的材料（如金屬、半導(dǎo)體、高分子材料等）為例，設(shè)計(jì)一個(gè)表面修飾方案，旨在賦予該材料特定的功能（如耐磨、抗菌、高選擇性吸附等），并說(shuō)明選擇該方案的理由及預(yù)期效果。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.B7.B8.B9.C10.A二、填空題1.表面自由能2.油；水3.能量差（或電離能/結(jié)合能）4.親水化5.雜質(zhì)（或副反應(yīng)）6.接觸角（或接觸角測(cè)量）7.油8.改性9.電化學(xué)10.表面電荷（或電化學(xué)）三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述表面張力的概念及其對(duì)液體表面性質(zhì)的影響。解析思路：首先定義表面張力，即液體表面層中單位長(zhǎng)度上所受到的相互吸引力。強(qiáng)調(diào)這是液體分子內(nèi)部作用力不平衡的表現(xiàn)（表面分子受向內(nèi)的拉力）。然后闡述其對(duì)表面性質(zhì)的影響，最主要的是使液體表面具有收縮趨勢(shì)，表現(xiàn)為表面盡可能縮小表面積，導(dǎo)致液滴呈球形；同時(shí)影響液體的潤(rùn)濕性、毛細(xì)現(xiàn)象等。參考答案要點(diǎn)：表面張力是液體表面層分子所受到的向內(nèi)的拉力，單位為N/m。它是由于液體表面分子間作用力不平衡造成的。表面張力使液體表面有收縮到最小面積的趨勢(shì)，使液滴呈球形。它影響液體的潤(rùn)濕性、毛細(xì)現(xiàn)象等。2.簡(jiǎn)要比較化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）這兩種薄膜制備方法的原理、特點(diǎn)及主要區(qū)別。解析思路：分別闡述CVD和PVD的基本原理。CVD是利用氣態(tài)前驅(qū)體在加熱或等離子體轟擊等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基材表面沉積固體薄膜。PVD是利用物理過(guò)程（如濺射、蒸發(fā)）將源材料原子或分子濺射/蒸發(fā)出來(lái)，然后在基材表面沉積成膜。比較兩者在能量要求、沉積速率、膜層均勻性、設(shè)備成本、適用材料范圍、膜層致密性等方面的特點(diǎn)，總結(jié)主要區(qū)別。參考答案要點(diǎn)：CVD原理：氣態(tài)前驅(qū)體在基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜，如熱CVD、等離子體CVD。PVD原理：物理方式（濺射、蒸發(fā)）將源材料沉積到基材表面。區(qū)別：CVD通常沉積速率較慢，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可沉積復(fù)雜成分薄膜，但均勻性可能較差；PVD速率較快，膜層致密性好，均勻性較好，但設(shè)備較復(fù)雜、成本較高，沉積元素種類(lèi)受限。3.解釋什么是表面潤(rùn)濕性，并說(shuō)明影響液體在固體表面潤(rùn)濕性的主要因素有哪些。解析思路：解釋潤(rùn)濕性：指液體在固體表面鋪展的能力。用接觸角來(lái)描述，接觸角小則潤(rùn)濕性好，接觸角大則潤(rùn)濕性差。影響因素：根據(jù)Young方程（F=γSVcosθ=γSL+γLG），分析影響接觸角（即潤(rùn)濕性）的因素，主要是液體-固體界面張力（γSL）、固體-氣體界面張力（γLG）和液體-氣體界面張力（γLV，即液體的表面張力）。其中，液體-固體界面張力是材料固有的，不易改變，主要通過(guò)改變其他兩個(gè)張力來(lái)調(diào)控潤(rùn)濕性。參考答案要點(diǎn)：表面潤(rùn)濕性是指液體在固體表面鋪展的能力，通常用接觸角來(lái)衡量，接觸角越小，潤(rùn)濕性越好。主要影響因素包括：液體與固體之間的界面張力（γSL）、固體與氣體之間的界面張力（γLG）以及液體自身的表面張力（γLV）。根據(jù)Young方程，cosθ=(γSL-γLG)/γLV。因此，潤(rùn)濕性主要受這三者的影響，通過(guò)改變液體種類(lèi)（γLV）或固體表面進(jìn)行處理（改變?chǔ)肧L和γLG）可以調(diào)控潤(rùn)濕性。4.闡述表面修飾技術(shù)在提高固體材料吸附性能方面的作用機(jī)制。解析思路：吸附性能與表面積、表面能、表面活性位點(diǎn)密切相關(guān)。表面修飾可以通過(guò)以下機(jī)制提高吸附性能：1)增大比表面積：通過(guò)造孔、刻蝕、負(fù)載助劑等方法增加材料的表面積；2)改變表面能：通過(guò)親疏水性、表面電荷等修飾，使材料表面更適合吸附目標(biāo)物質(zhì)；3)引入或暴露活性位點(diǎn)：通過(guò)化學(xué)鍵合、沉積特定功能分子等方式，在表面創(chuàng)造對(duì)目標(biāo)物質(zhì)有強(qiáng)親和力的活性位點(diǎn)；4)調(diào)控表面形貌：特定的表面結(jié)構(gòu)可以增加吸附位點(diǎn)或促進(jìn)吸附物質(zhì)的定向排列。參考答案要點(diǎn)：提高吸附性能主要通過(guò)以下機(jī)制：1)增大比表面積：通過(guò)造孔、刻蝕等方法增加材料暴露的表面積；2)改變表面能：通過(guò)親疏水化、表面電荷調(diào)控等，使表面更易吸附目標(biāo)物質(zhì)；3)引入/暴露活性位點(diǎn)：通過(guò)化學(xué)修飾、負(fù)載功能分子等，在表面創(chuàng)造對(duì)吸附物有強(qiáng)親和力的位點(diǎn)；4)調(diào)控表面形貌：特定結(jié)構(gòu)可增加吸附位點(diǎn)或促進(jìn)吸附。四、論述題1.結(jié)合資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用背景（如礦物分選、廢水處理、催化劑等），論述表面改性技術(shù)的重要性。解析思路：從資源化學(xué)的核心任務(wù)出發(fā)，即高效、選擇性地提取、轉(zhuǎn)化和利用資源。指出天然材料的表面性質(zhì)往往不滿(mǎn)足特定應(yīng)用需求，而表面改性是克服這些限制、優(yōu)化性能的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行論述：如浮選中通過(guò)改性捕收劑或礦物表面，實(shí)現(xiàn)有用礦物與脈石的高效分離；廢水處理中通過(guò)改性吸附劑高效去除重金屬離子或有機(jī)污染物；催化劑通過(guò)改性提高活性、選擇性和穩(wěn)定性，促進(jìn)目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)。總結(jié)表面改性對(duì)于提升資源利用效率、降低成本、實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保資源化學(xué)的重要性。參考答案要點(diǎn)：資源化學(xué)旨在高效利用資源，天然材料表面性質(zhì)常不滿(mǎn)足需求。表面改性技術(shù)可優(yōu)化材料性能，是關(guān)鍵。例如：在礦物分選中，改性捕收劑或礦物表面可選擇性附著到目標(biāo)礦物，實(shí)現(xiàn)高效分離；在廢水處理中，改性吸附劑可特異性吸附污染物；在催化領(lǐng)域，改性可提高催化劑活性、選擇性、穩(wěn)定性，促進(jìn)資源轉(zhuǎn)化。表面改性對(duì)提升資源利用效率、降低成本、實(shí)現(xiàn)綠色資源化學(xué)至關(guān)重要。2.詳細(xì)討論等離子體處理作為一種材料表面修飾方法的原理、應(yīng)用范圍及其面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：首先解釋等離子體的基本概念及其高能量、高活性特性。闡述其表面修飾原理：利用等離子體中的高能粒子（電子、離子）、活性基團(tuán)（如自由基）轟擊、刻蝕、沉積或與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變表面成分、結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性、化學(xué)態(tài)等。列舉其主要應(yīng)用范圍：如提高材料的生物相容性、親/疏水性、耐磨性、抗氧化性、沉積薄膜、去除污染物、表面刻蝕等，特別強(qiáng)調(diào)在半導(dǎo)體、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后分析其面臨的挑戰(zhàn)：如設(shè)備成本較高、工藝參數(shù)控制復(fù)雜、可能對(duì)材料本體造成損傷、處理面積有限、存在安全環(huán)保問(wèn)題（如廢氣處理）等。參考答案要點(diǎn)：原理：利用等離子體中的高能粒子（電子、離子）或活性基團(tuán)（自由基）轟擊、刻蝕、沉積或化學(xué)反應(yīng)，改變表面性質(zhì)。應(yīng)用范圍：提高生物相容性、親疏水性、耐磨性、抗氧化性；沉積薄膜（如氮化硅、類(lèi)金剛石）；刻蝕材料表面；去除污染物；表面化學(xué)反應(yīng)改性。挑戰(zhàn)：設(shè)備成本高；工藝參數(shù)復(fù)雜，控制難度大；可能損傷材料本體；處理面積受限；存在安全與環(huán)保問(wèn)題（如廢氣處理）。3.以一種具體的材料（如金屬、半導(dǎo)體、高分子材料等）為例，設(shè)計(jì)一個(gè)表面修飾方案，旨在賦予該材料特定的功能（如耐磨、抗菌、高選擇性吸附等），并說(shuō)明選擇該方案的理由及預(yù)期效果。解析思路：選擇一種具體材料，如“不銹鋼”。選擇一個(gè)具體功能，如“抗菌”。設(shè)計(jì)一個(gè)表面修飾方案，如“采用等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）法，沉積一層含銀（Ag）的氮化鈦（TiN）薄膜”。說(shuō)明選擇該方案的理由：結(jié)合了TiN的耐磨、硬度高等物理性能與銀的廣譜抗菌化學(xué)性質(zhì)。解釋預(yù)期效果：沉積后的不銹鋼表面，既保持了良好的耐磨性，又賦予了有效的抗菌功能，適用于制造需要接觸體液或