2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子設(shè)計(jì)光電材料研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的首字母填入括號內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)具有高效光致發(fā)光性能的有機(jī)分子時，通常需要考慮以下哪個因素？()A.分子量盡可能小B.分子具有高度對稱性C.具有合適的能級差（HOMO-LUMO）D.分子應(yīng)具有良好的空氣穩(wěn)定性2.下列哪種共軛體系的有機(jī)分子通常具有較長的可見光吸收波長？()A.鄰位取代的苯環(huán)B.線性全共軛α-烯烴C.帶有孤對電子的雜環(huán)D.芳香性環(huán)系3.用于制備有機(jī)光伏器件（OPV）的活性層材料，通常要求具有良好的：()A.熱穩(wěn)定性B.酸堿性C.電荷遷移率D.機(jī)械強(qiáng)度4.在有機(jī)金屬化學(xué)中，下列哪種方法常用于構(gòu)建具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的配位聚合物（MOF）？()A.自由基聚合B.壓力誘導(dǎo)相變C.離子自組裝D.配位節(jié)點(diǎn)連接5.紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）主要用于研究分子的哪種性質(zhì)？()A.核磁環(huán)境B.紅外振動模式C.電子躍遷D.空間構(gòu)型6.在設(shè)計(jì)用于鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCell）的有機(jī)受體材料時，通常需要考慮其與鈣鈦礦的：()A.化學(xué)相容性B.能級匹配C.熱分解溫度D.溶解度7.分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）發(fā)光材料通常具有的特點(diǎn)是：()A.離域的π電子體系B.孤對電子與π體系緊密耦合C.具有較大的分子內(nèi)能級差D.高結(jié)晶度8.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于研究材料的：()A.化學(xué)組成B.元素價(jià)態(tài)C.晶體結(jié)構(gòu)D.光學(xué)活性9.有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）中，電子給體（ETL）材料的主要功能是：()A.吸收光子產(chǎn)生光致發(fā)光B.提供電子并傳輸電子C.提供空穴并傳輸空穴D.抑制器件漏電10.“分子設(shè)計(jì)”的核心思想是：()A.通過計(jì)算模擬預(yù)測分子性質(zhì)B.按照特定性能需求構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)C.尋找天然存在的具有特定功能的分子D.研究分子的合成反應(yīng)機(jī)理二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線上）1.設(shè)計(jì)有機(jī)光電材料時，分子的______結(jié)構(gòu)與電子態(tài)密切相關(guān)，決定了其光學(xué)吸收和發(fā)射特性。2.在有機(jī)光伏器件中，給體和受體材料之間需要形成______能級結(jié)構(gòu)以促進(jìn)電荷的有效分離。3.有機(jī)金屬框架（MOFs）材料通常具有極高的比表面積和可調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)，在______存儲等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。4.紅外光譜（IR）主要用于鑒定分子的______振動模式，從而推斷其化學(xué)結(jié)構(gòu)。5.設(shè)計(jì)高效有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件時，需要優(yōu)化發(fā)光層的______、空穴/電子傳輸層的傳輸效率和器件的______。6.通過分子設(shè)計(jì)調(diào)控材料的______可以影響其電荷產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合的動力學(xué)過程。7.基于密度泛函理論（DFT）的計(jì)算模擬是現(xiàn)代分子設(shè)計(jì)的重要工具，可用于預(yù)測分子的______和______等性質(zhì)。8.染料敏化太陽能電池（DSSC）中的染料分子通常需要具備良好的______能力和與半導(dǎo)體納米晶的______匹配。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述分子設(shè)計(jì)中“功能導(dǎo)向”策略的基本思想。2.簡述有機(jī)半導(dǎo)體材料中，分子堆積方式對其光電性能的主要影響。3.簡述在有機(jī)光伏器件（OPV）中，界面工程的重要性。4.簡述表征有機(jī)光電材料常用的一種光譜方法及其主要應(yīng)用。四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學(xué)知識，詳細(xì)論述下列問題）1.試論述分子結(jié)構(gòu)中的共軛效應(yīng)、空間位阻和分子內(nèi)氫鍵等因素如何影響有機(jī)分子的光物理性質(zhì)（如吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光量子產(chǎn)率）。2.試論述設(shè)計(jì)用于鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）的高性能有機(jī)受體材料時，需要考慮哪些關(guān)鍵因素？3.試結(jié)合一個具體實(shí)例（如OLED、OPV、DSSC等），論述分子設(shè)計(jì)在構(gòu)建高效光電材料及器件中的重要作用。試卷答案一、選擇題1.C解析：高效光致發(fā)光要求分子吸收光子后能有效地將激發(fā)能以發(fā)光形式釋放，這依賴于分子具有合適的能級差（HOMO-LUMO），使得激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間能量差與吸收光子能量匹配，且發(fā)光過程損失能量最小。2.B解析：線性全共軛體系（如聚乙炔、聚苯乙烯）具有較長的共軛距離，能級躍遷能較低，因此吸收波長較長，可延伸至可見光區(qū)域。其他選項(xiàng)所述結(jié)構(gòu)通常吸收波長較短（紫外區(qū)）或具有特殊選擇性。3.C解析：有機(jī)光伏器件的核心在于光生電荷的有效分離和傳輸，這需要活性層材料具有高的載流子遷移率，以便電荷在產(chǎn)生后能迅速擴(kuò)散到電極，從而提高器件的短路電流和填充因子。4.D解析：MOFs材料的構(gòu)建基于金屬離子或團(tuán)簇作為連接節(jié)點(diǎn)，配體作為連接橋，通過配位鍵形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，屬于配位節(jié)點(diǎn)連接的范疇。其他選項(xiàng)描述的方法不適用于構(gòu)建此類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。5.C解析：UV-Vis光譜研究的是分子中電子能級躍遷（如π→π*，n→π*），這些躍遷通常需要吸收紫外或可見光，因此該光譜主要用于揭示分子共軛體系、芳香性、雜原子孤對電子等與電子結(jié)構(gòu)相關(guān)的特性。6.B解析：有機(jī)受體材料與鈣鈦礦層之間的能級匹配是形成有效異質(zhì)結(jié)、促進(jìn)電荷高效分離的關(guān)鍵。良好的能級匹配能確保電子從鈣鈦礦有效注入受體，空穴從受體有效注入鈣鈦礦，從而提高器件的開路電壓和填充因子。7.B解析：ICT發(fā)光涉及電子從給體軌道躍遷到受體軌道（反之亦然），這通常發(fā)生在具有強(qiáng)吸電子能力的給體和強(qiáng)推電子能力的受體基團(tuán)共軛體系中，或者孤對電子與π體系發(fā)生耦合。這種結(jié)構(gòu)通常能形成較大的激發(fā)態(tài)-基態(tài)能級差，并經(jīng)歷系間竄越，導(dǎo)致較長的激發(fā)態(tài)壽命和熒光發(fā)射。8.C解析：X射線衍射（XRD）技術(shù)是研究固體物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)最常用的方法，通過分析X射線在晶體上發(fā)生的衍射現(xiàn)象，可以獲得關(guān)于晶胞參數(shù)、原子位置、晶格缺陷等信息。9.B解析：在OLED器件中，電子給體（ETL）材料位于陽極和活性層之間，其主要功能是接受從陽極注入的電子，并在活性層中傳輸電子，同時阻止空穴的注入和傳輸，形成有效的電子-空穴阻擋層。10.B解析：分子設(shè)計(jì)的核心在于“按需構(gòu)建”，即根據(jù)預(yù)期的性能目標(biāo)（如光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性等），通過理性設(shè)計(jì)或定向進(jìn)化等手段，合成具有特定結(jié)構(gòu)特征和功能的分子。二、填空題1.共軛解析：分子的共軛結(jié)構(gòu)（如π電子體系）直接影響其分子軌道能級和電子云分布，進(jìn)而決定了吸收和發(fā)射光的波長（顏色）以及熒光量子產(chǎn)率等光物理性質(zhì)。2.異質(zhì)結(jié)解析：在有機(jī)光伏器件中，給體和受體材料需要形成能級錯位的異質(zhì)結(jié)界面，形成內(nèi)建電場，才能有效地將光生電子和空穴分離并分別驅(qū)動到器件的兩側(cè)電極。3.氣體解析：MOFs材料具有極高的比表面積和孔隙率，使其成為理想的氣體（如氫氣、二氧化碳）吸附和存儲材料的候選者。4.功能團(tuán)解析：紅外光譜（IR）對分子中不同化學(xué)鍵的振動（特別是伸縮和彎曲振動）非常敏感，不同功能團(tuán)（如-OH,C=O,C=C,N-H等）具有特征性的紅外吸收峰，可用于結(jié)構(gòu)鑒定。5.能級匹配，開路電壓解析：發(fā)光層材料的選擇需考慮其光學(xué)帶隙與器件所需發(fā)光顏色的匹配；空穴/電子傳輸層材料需具備高遷移率以保證電荷有效傳輸；器件的開路電壓與能級結(jié)構(gòu)有關(guān)，優(yōu)化能級匹配可提高開路電壓。6.界面特性解析：材料的光電性能不僅取決于本體相的性質(zhì)，還與材料之間的界面結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷狀態(tài)等密切相關(guān)。通過分子設(shè)計(jì)調(diào)控分子間相互作用、界面能級等，可以顯著影響電荷的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過程。7.結(jié)構(gòu)，性質(zhì)解析：密度泛函理論（DFT）是量子化學(xué)計(jì)算中常用的方法，可以預(yù)測分子的幾何結(jié)構(gòu)（原子坐標(biāo)）、能量、電子密度分布等結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以及光學(xué)性質(zhì)（如吸收光譜）、電學(xué)性質(zhì)（如HOMO-LUMO能級）、熱力學(xué)性質(zhì)等。8.光吸收，能級解析：DSSC中的染料分子需要具備強(qiáng)烈的對光吸收能力（覆蓋太陽光譜范圍）以便高效捕獲光能；同時其氧化態(tài)和還原態(tài)的能級需要與半導(dǎo)體納米晶的導(dǎo)帶和價(jià)帶能級良好匹配，以保證電荷能被半導(dǎo)體有效收集。三、簡答題1.功能導(dǎo)向策略是指在進(jìn)行分子設(shè)計(jì)時，首先明確期望材料要實(shí)現(xiàn)的特定功能（如光學(xué)、電學(xué)、催化活性等），然后根據(jù)該功能所需的物理化學(xué)性質(zhì)，反推所需的分子結(jié)構(gòu)特征（如特定的官能團(tuán)、共軛體系、空間構(gòu)型、孔道結(jié)構(gòu)等），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和合成。這種方法使得分子設(shè)計(jì)更具目的性和效率性。2.有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子堆積方式（如堆積方向、堆疊距離、有序性）對其光電性能有顯著影響。有序的、面對稱的堆積有利于形成良好的π-π相互作用，可以增大電子遷移率，提高器件性能。無序或取向混亂的堆積則可能導(dǎo)致電荷傳輸路徑受阻，遷移率降低。此外，堆積方式也可能影響激子解離和復(fù)合的效率。3.界面工程在有機(jī)光伏器件中至關(guān)重要。器件性能很大程度上取決于活性層中給體和受體材料之間的界面性質(zhì)。通過分子設(shè)計(jì)調(diào)控界面處的化學(xué)組成、形貌（如相分離尺寸、形貌）、能級結(jié)構(gòu)（如功函數(shù)匹配）、缺陷狀態(tài)等，可以優(yōu)化電荷的有效產(chǎn)生、分離、傳輸和收集，從而提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。4.紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）是利用物質(zhì)對紫外和可見光區(qū)的吸收特性來研究分子結(jié)構(gòu)的一種光譜方法。通過測量樣品對不同波長光的吸收程度，可以獲得分子中電子躍遷的信息。其主要應(yīng)用包括：鑒定分子中是否存在特定的官能團(tuán)（如共軛雙鍵、苯環(huán)、羰基等）；確定共軛體系的長度和擴(kuò)展程度，進(jìn)而推測分子的光學(xué)性質(zhì)；研究分子間的相互作用（如氫鍵、金屬配位）；定量分析物質(zhì)的濃度等。四、論述題1.分子結(jié)構(gòu)中的共軛效應(yīng)、空間位阻和分子內(nèi)氫鍵等因素通過影響分子的電子結(jié)構(gòu)、激發(fā)態(tài)壽命和能量損失，進(jìn)而顯著影響其光物理性質(zhì)。共軛效應(yīng)：增大π電子離域程度，降低激發(fā)態(tài)能量，使吸收波長紅移。同時，增強(qiáng)的電子云重疊有利于電荷的離域，可能增加激子擴(kuò)散距離，但過長的共軛也可能導(dǎo)致激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定或發(fā)生系間竄越（ISC），從而降低熒光量子產(chǎn)率（ΦF）。空間位阻：位阻增大會限制分子的構(gòu)象，影響π電子體系的離域程度，從而改變吸收和發(fā)射光譜的位置。同時，位阻可能阻礙分子內(nèi)非輻射能量損失過程（如振動弛豫、內(nèi)轉(zhuǎn)換），有利于提高熒光量子產(chǎn)率。但過大的位阻也可能阻礙激子解離或電荷傳輸，對器件性能不利。分子內(nèi)氫鍵：可以穩(wěn)定分子的特定構(gòu)象，影響電子云分布和能級結(jié)構(gòu)。氫鍵的極性可能增強(qiáng)激發(fā)態(tài)，促進(jìn)ISC，從而降低ΦF。但設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)臍滏I體系也可能通過穩(wěn)定激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)來抑制非輻射損失，提高ΦF。氫鍵還能影響分子的溶解性、結(jié)晶度和聚集行為，間接影響其光物理性質(zhì)。2.設(shè)計(jì)用于鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）的高性能有機(jī)受體材料時，需要考慮以下關(guān)鍵因素：a.能與鈣鈦礦形成良好異質(zhì)結(jié):接受體材料應(yīng)能與鈣鈦礦（如CH3NH3PbI3）形成能級匹配的異質(zhì)結(jié)，確保電子能從鈣鈦礦有效注入受體，空穴能從受體有效注入鈣鈦礦，以實(shí)現(xiàn)高效的雙載流子注入和傳輸。b.具有合適的能級:接受體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級應(yīng)低于鈣鈦礦的價(jià)帶頂（VB），以利于空穴注入；最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級應(yīng)高于鈣鈦礦的導(dǎo)帶底（CB），以利于電子注入。c.高電子遷移率:接受體材料需要具有較高的電子遷移率，以便將注入的電子有效傳輸?shù)狡骷年帢O，減少電子積聚和復(fù)合。d.良好的光學(xué)性能:接受體材料應(yīng)具有合適的禁帶寬度，使其光學(xué)帶隙與PeLED所需發(fā)光顏色匹配。同時，應(yīng)具有較高的熒光量子產(chǎn)率（ΦF）和良好的熒光量子內(nèi)量子效率（ΦIE），以減少光致發(fā)光過程中的能量損失。e.優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性:接受體材料需要具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易與鈣鈦礦或其他層材料發(fā)生不良反應(yīng)；同時需要具有足夠的熱穩(wěn)定性，以保證器件在操作溫度下的性能和壽命。f.合適的溶解性和加工性能:接受體材料應(yīng)易于溶解于常用的溶劑（如二氯甲烷、甲苯等），并具有合適的成膜性（如旋涂、噴涂、印刷等），以便形成均勻、致密的功能層。g.低缺陷態(tài):接受體材料應(yīng)盡量減少材料本身的缺陷態(tài)，以避免缺陷態(tài)捕獲載流子，影響器件效率和壽命。3.分子設(shè)計(jì)在構(gòu)建高效光電材料及器件中起著核心作用。以有機(jī)太陽能電池（OPV）為例：OPV器件的核心是活性層，由給體和受體材料混合形成。通過分子設(shè)計(jì)，研究人員可以：a.設(shè)計(jì)具有寬光譜吸收的給體/受體材料:通過引入不同長度的共軛單元、雜原子或給體/受體單元，調(diào)節(jié)材料的吸收光譜，使其能夠更有效地吸收太陽光譜（覆蓋紫外到近紅外區(qū)域），從而提高光能利用率。b.調(diào)控能級結(jié)構(gòu):精確設(shè)計(jì)給體和受體材料的HOMO和LUMO能級，使其形成合適的異質(zhì)結(jié)能級結(jié)構(gòu)，確保光生電子和空穴能夠被高效地分離并分別傳輸?shù)狡骷膬啥穗姌O，從而提高器件的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。c.優(yōu)化電荷傳輸性能:通過引入合適的取代基、調(diào)控分子堆積和相分離結(jié)構(gòu)（