2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——無機(jī)材料的多功能化設(shè)計(jì)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)，每題2分，共20分）1.下列哪種材料通常被認(rèn)為是一種多功能材料？（）A.高純度的單晶硅B.具有高比表面積的活性炭C.同時(shí)具備光催化降解有機(jī)物和吸附染料兩種功能的多孔二氧化鈦材料D.傳統(tǒng)的鋼鐵合金2.在利用工業(yè)副產(chǎn)硫酸鹽（如硫酸鈣）制備多功能材料時(shí)，通常采用的方法是？（）A.直接利用其作為催化劑B.通過高溫煅燒制備多孔氧化鈣，再進(jìn)行改性C.電解其熔融鹽制備金屬鈣D.將其溶解后用于制備凝膠電解質(zhì)3.設(shè)計(jì)一種用于廢水處理的光催化材料時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素不包括？（）A.材料的光催化活性（對(duì)目標(biāo)污染物降解效率）B.材料的化學(xué)穩(wěn)定性（在廢水環(huán)境中不易分解）C.材料的成本和可規(guī)?；a(chǎn)的可行性D.材料的生物相容性（對(duì)于可能接觸人體的應(yīng)用）4.下列哪種改性策略主要目的是為了提高材料的比表面積和孔道結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)其吸附或催化性能？（）A.離子交換B.表面包覆C.材料復(fù)合或負(fù)載D.結(jié)構(gòu)缺陷工程（如摻雜）5.資源化學(xué)專業(yè)視角下，評(píng)價(jià)一種無機(jī)材料多功能化設(shè)計(jì)成功與否，除了考慮其功能性能外，還應(yīng)特別關(guān)注？（）A.材料的制備過程是否簡(jiǎn)單快捷B.是否能有效利用廉價(jià)或廢棄的地球資源C.材料的力學(xué)強(qiáng)度是否足夠高D.材料的量子效率是否達(dá)到理論極限6.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析材料的？（）A.比表面積和孔徑分布B.微觀形貌和元素分布C.晶體結(jié)構(gòu)和物相組成D.元素價(jià)態(tài)和化學(xué)鍵合7.下列哪種材料的功能主要依賴于其特殊的磁矩和磁化行為？（）A.光子晶體B.介電陶瓷C.磁性納米顆粒D.氧化鋅氣敏材料8.“缺陷工程”在無機(jī)材料多功能化設(shè)計(jì)中的主要作用是？（）A.完全消除材料中的所有缺陷，提高其純度B.通過引入或調(diào)控點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等，精確調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)或能帶隙，從而改變其功能C.增加材料的晶體缺陷，以降低其熔點(diǎn)D.使材料具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，以避免結(jié)晶帶來的各向異性9.在設(shè)計(jì)利用稀土礦物制備的功能材料時(shí)，必須考慮的關(guān)鍵環(huán)境因素是？（）A.稀土元素的放射性水平B.稀土礦物開采過程中的生態(tài)破壞C.材料在使用后廢棄時(shí)稀土元素的回收與環(huán)境影響D.材料運(yùn)輸過程中的能量消耗10.溶膠-凝膠法是一種常用于制備氧化物、玻璃和陶瓷等功能材料的方法，其主要優(yōu)點(diǎn)通常不包括？（）A.溫度要求相對(duì)較低B.可制備純度高、粒徑小的粉末或薄膜C.可以方便地進(jìn)行摻雜改性D.成本特別低廉，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.無機(jī)材料的多功能化設(shè)計(jì)，通常需要綜合考慮材料的__________、__________、__________和__________等基本性質(zhì)。2.利用廢舊電子產(chǎn)品中的銅、金等貴金屬制備高附加值材料，是資源化學(xué)中實(shí)現(xiàn)__________的重要途徑之一。3.為了提高無機(jī)光催化材料在可見光區(qū)的響應(yīng)能力，常通過__________或__________等策略來調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)。4.在設(shè)計(jì)一種用于鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，需要關(guān)注其__________、__________和循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。5.“綠色化學(xué)”原則在無機(jī)材料多功能化設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)，例如采用__________合成路線，選用__________溶劑，并關(guān)注材料的__________。6.X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)主要用于分析材料的__________和__________信息。7.通過將兩種或多種功能不同的無機(jī)材料物理混合或化學(xué)復(fù)合，可以制備出具有__________功能的復(fù)合材料。8.氧化鋅（ZnO）材料是一種常見的__________材料和__________材料。9.設(shè)計(jì)基于地?zé)豳Y源利用的多功能材料時(shí)，應(yīng)考慮其耐高溫、耐腐蝕性能以及與地?zé)岘h(huán)境的__________。10.將生物質(zhì)資源（如秸稈、稻殼）轉(zhuǎn)化為功能性的無機(jī)材料，是資源化學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)__________和__________的重要研究方向。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述利用水熱合成法制備無機(jī)功能材料的原理及其至少兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2.解釋什么是“結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系”，并舉例說明如何在材料設(shè)計(jì)中利用這種關(guān)系來實(shí)現(xiàn)多功能化。3.針對(duì)工業(yè)煙氣脫硝，設(shè)計(jì)一種基于無機(jī)材料的催化凈化方案，并簡(jiǎn)述其工作原理。4.簡(jiǎn)述在資源化學(xué)專業(yè)背景下，進(jìn)行無機(jī)材料多功能化設(shè)計(jì)研究時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的資源環(huán)境因素。四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，圍繞以下主題進(jìn)行論述，每題10分，共30分）1.論述利用常見廢渣（如粉煤灰、鋼渣）制備具有特定功能（如吸附、催化、建筑等）的無機(jī)材料的設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵問題和潛在價(jià)值。2.深入探討無機(jī)材料多功能化設(shè)計(jì)中的“協(xié)同效應(yīng)”現(xiàn)象，結(jié)合具體實(shí)例說明如何通過構(gòu)建協(xié)同結(jié)構(gòu)或復(fù)合體系來獲得超越單一組分材料性能的協(xié)同功能。3.選擇一種你感興趣的無機(jī)多功能材料（如鈣鈦礦、金屬有機(jī)框架MOFs、自修復(fù)材料等），分析其結(jié)構(gòu)特征、主要功能、當(dāng)前研究熱點(diǎn)、面臨的挑戰(zhàn)以及在資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.D5.B6.C7.C8.B9.C10.D二、填空題1.結(jié)構(gòu)，組成，性質(zhì)，制備方法2.資源循環(huán)利用3.能帶工程，摻雜4.離子嵌入能力，倍率性能5.綠色，環(huán)境友好，可降解性6.元素，化學(xué)鍵7.協(xié)同8.氣敏，壓電9.匹配10.可持續(xù)發(fā)展，資源綜合利用三、簡(jiǎn)答題1.原理：水熱合成法是在高溫（通常>100°C）和高壓（對(duì)應(yīng)于相應(yīng)溫度下水的飽和蒸汽壓）的水溶液或水蒸氣氣氛中進(jìn)行的無機(jī)合成反應(yīng)。利用水作為溶劑和反應(yīng)介質(zhì)，在密閉的反應(yīng)器（高壓釜）內(nèi)，高溫高壓條件能促進(jìn)難溶化合物的溶解、離子的傳輸和晶體的生長。優(yōu)點(diǎn)：1.反應(yīng)溫度高，能有效克服某些反應(yīng)物在常溫常壓下的反應(yīng)能壘，合成難熔或高溫穩(wěn)定的化合物。2.高壓環(huán)境有利于溶解度差的物質(zhì)溶解，并能抑制氣相副產(chǎn)物的生成，有利于晶體的純化和生長。3.水作為溶劑，環(huán)境友好，成本較低，且易于控制pH值，對(duì)某些反應(yīng)有催化作用。4.易于控制產(chǎn)物的晶相、形貌和尺寸，通過改變溫度、壓力、時(shí)間、前驅(qū)體種類和濃度等條件，可以獲得多樣化的材料結(jié)構(gòu)。2.結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系：指材料的宏觀性能（功能）與其微觀或宏觀結(jié)構(gòu)（如原子排列、晶相、形貌、缺陷、組分分布等）之間存在的內(nèi)在聯(lián)系和決定性關(guān)系。即材料的結(jié)構(gòu)特征決定了其物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而決定了其功能表現(xiàn)。設(shè)計(jì)利用：在多功能化設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過精確調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)來引導(dǎo)其功能的實(shí)現(xiàn)。例如，設(shè)計(jì)具有特定孔道結(jié)構(gòu)的多孔材料，可以增大比表面積，增強(qiáng)吸附功能；通過納米技術(shù)控制材料的尺寸和形貌（如納米顆粒、納米線、納米管），可以顯著改變其表面效應(yīng)和光學(xué)、磁學(xué)、催化等性能；通過引入特定的點(diǎn)缺陷或替位/間隙雜質(zhì)（缺陷工程），可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子云分布或離子價(jià)態(tài)，從而調(diào)控其光催化、電催化、傳感等功能；通過構(gòu)建復(fù)合材料，將具有不同功能的組分復(fù)合在一起，利用組分間的協(xié)同作用或界面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單一組分無法具備的多功能。理解并利用好結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，是指導(dǎo)材料多功能化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。3.催化凈化方案：設(shè)計(jì)一種基于無機(jī)非均相催化劑的煙氣脫硝方案。工作原理：將無機(jī)催化劑（如基于V?O?-WO?/TiO?體系的催化劑）固定在載體（如陶瓷或金屬絲網(wǎng)）上，裝填于煙氣處理設(shè)備（如反應(yīng)器）。當(dāng)含有NOx（主要是NO和NO?）的工業(yè)煙氣通過催化劑表面時(shí)，在一定的溫度條件下（通常300-400°C），催化劑表面的活性位點(diǎn)（如金屬氧化物提供的酸性位點(diǎn)或氧化位點(diǎn)）能夠吸附NOx分子。催化劑提供吸附位點(diǎn)并降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)NOx發(fā)生還原反應(yīng)，通常利用煙氣中的CO或H?作為還原劑，將NO還原為N?，同時(shí)CO或H?被氧化為CO?或H?O。對(duì)于NO?，也可能發(fā)生吸附-氧化-還原或直接與CO反應(yīng)等途徑轉(zhuǎn)化為N?。最終，煙氣中的NOx含量得到顯著降低，凈化后的氣體排放。4.資源環(huán)境因素：*資源可用性與經(jīng)濟(jì)性：所選用的基礎(chǔ)無機(jī)資源（如礦石、廢料）是否豐富、分布廣泛、開采或獲取成本是否經(jīng)濟(jì)可行。設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先利用豐富、低價(jià)值或廢棄物資源。*資源開采與加工的環(huán)境影響：原材料開采過程可能帶來的土地破壞、水土流失、植被破壞、粉塵和廢水排放等環(huán)境問題。材料合成過程中的能耗、物耗以及產(chǎn)生的廢氣、廢液、固體廢物等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用清潔生產(chǎn)工藝，減少環(huán)境足跡。*材料的生態(tài)毒性：材料本身及其在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中可能產(chǎn)生的衍生物是否具有生態(tài)毒性，是否會(huì)污染土壤、水體和大氣。設(shè)計(jì)時(shí)需評(píng)估材料的環(huán)境友好性，選擇生物相容性好、易于降解或回收的材料。*材料的可回收性與生命周期：材料在使用壽命結(jié)束后是否易于回收利用，能否重新進(jìn)入資源循環(huán)。考慮材料的全生命周期環(huán)境影響，設(shè)計(jì)易于分離、回收和再利用的功能材料。*應(yīng)用場(chǎng)景的環(huán)境兼容性：材料在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境（如特定溫度、濕度、酸堿度、化學(xué)介質(zhì)）中的穩(wěn)定性和耐久性，是否會(huì)發(fā)生降解、釋放有害物質(zhì)或造成二次污染。四、論述題1.設(shè)計(jì)思路：利用粉煤灰（主要成分為SiO?、Al?O?及少量Fe?O?、CaO等）和鋼渣（主要成分為CaO、SiO?、MnO、Fe?O?等）作為主要原料，通過合適的預(yù)處理、配料比設(shè)計(jì)、合成工藝（如水熱、固相燒結(jié)、溶膠-凝膠等）和后續(xù)改性（如酸堿處理、離子交換、表面接枝等），制備具有目標(biāo)功能的材料。關(guān)鍵問題：1.雜質(zhì)影響：粉煤灰和鋼渣成分復(fù)雜，含有害雜質(zhì)（如重金屬、氯離子），在制備過程中可能影響目標(biāo)材料的性能和環(huán)境安全性，需要有效去除或控制。2.活性組分活化：原料中的活性組分（如SiO?、Al?O?、CaO）可能以穩(wěn)定晶型存在，需要通過合適的合成條件（溫度、時(shí)間、氣氛）將其轉(zhuǎn)化為具有高反應(yīng)活性的形態(tài)（如無定形、晶格缺陷）。3.結(jié)構(gòu)調(diào)控：控制材料的孔結(jié)構(gòu)（孔徑、比表面積）、晶相組成、形貌等是實(shí)現(xiàn)特定功能（如吸附、催化）的關(guān)鍵，需要優(yōu)化工藝參數(shù)。4.性能匹配：需要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，平衡材料的多種性能要求（如吸附容量、催化活性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等）。潛在價(jià)值：1.資源化利用：將大量工業(yè)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的材料，變廢為寶，減少堆存占地和環(huán)境污染。2.降低成本：原料廉價(jià)易得，可降低最終材料的生產(chǎn)成本。3.環(huán)境友好：利用廢棄物替代天然礦物，減少對(duì)自然資源的開采，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。4.多功能集成：可以通過調(diào)控成分和結(jié)構(gòu)，制備出同時(shí)具有吸附、催化、離子交換等多種功能于一體的復(fù)合材料，滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。2.協(xié)同效應(yīng)：指在復(fù)合材料或多功能體系中，不同組分或不同層次的相互作用導(dǎo)致整體性能（一個(gè)或多個(gè)性能）顯著超過各組分單獨(dú)性能之和的現(xiàn)象。這種效應(yīng)源于組分間的界面相互作用、物理/化學(xué)耦合、結(jié)構(gòu)互補(bǔ)或功能互補(bǔ)。具體實(shí)例與機(jī)制：1.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體復(fù)合：如將銳鈦礦型TiO?與石墨烯復(fù)合。TiO?光生空穴易與水或氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致量子效率不高。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和大的比表面積。兩者復(fù)合后，石墨烯可以作為電子導(dǎo)電路徑，有效分離光生電子-空穴對(duì)，抑制復(fù)合，提高光催化效率；同時(shí)，石墨烯的加入也增加了光催化劑的比表面積，提供了更多的活性位點(diǎn)。這是典型的電子-空穴對(duì)分離協(xié)同效應(yīng)。2.多金屬氧化物催化體系：如商業(yè)上常用的V?O?-WO?/TiO?催化劑用于煙氣脫硝。WO?主要提供酸性位點(diǎn)，促進(jìn)NO吸附和反應(yīng)中間體生成；V?O?則具有較強(qiáng)的氧化還原能力，并能活化氧分子。兩者協(xié)同作用，提高了催化劑對(duì)NO的吸附和轉(zhuǎn)化活性，拓寬了反應(yīng)溫度窗口。這是酸堿性質(zhì)與氧化還原能力協(xié)同效應(yīng)。3.吸附復(fù)合材料：如將離子交換樹脂（如季銨鹽陽離子交換樹脂）負(fù)載在活性炭或硅膠表面?；钚蕴刻峁┐蟮谋缺砻娣e和一定的吸附能力，而離子交換樹脂則具有選擇性地吸附特定離子（如重金屬離子）的能力。復(fù)合后，可以利用活性炭的吸附作用富集污染物，再通過離子交換樹脂進(jìn)行選擇性去除，實(shí)現(xiàn)協(xié)同吸附，提高吸附效率和選擇性。設(shè)計(jì)策略：利用協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行多功能化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于選擇合適的組分、優(yōu)化組分比例、精確控制界面結(jié)構(gòu)和相互作用。需要深入理解各組分的功能機(jī)制以及它們之間可能產(chǎn)生的相互作用模式。3.選擇材料：金屬有機(jī)框架（MOFs）結(jié)構(gòu)特征：MOFs是由金屬離子或簇（節(jié)點(diǎn)）與有機(jī)配體（連接體）通過配位鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：極高的比表面積和孔隙率、可調(diào)定的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境、可設(shè)計(jì)的孔道形態(tài)（微孔、介孔）、豐富的金屬節(jié)點(diǎn)種類和有機(jī)配體多樣性，從而賦予材料可調(diào)的物理化學(xué)性質(zhì)。主要功能：1.氣體吸附與儲(chǔ)存：利用其高比表面積和可調(diào)孔道，MOFs在CO?、H?、CH?、N?等氣體的吸附分離和儲(chǔ)存方面顯示出巨大潛力。2.催化：MOFs的金屬節(jié)點(diǎn)或有機(jī)配體可以作為活性位點(diǎn)，用于多種催化反應(yīng)，如氧化、還原、異構(gòu)化等。其可調(diào)的孔道環(huán)境也有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸。3.傳感：MOFs對(duì)特定氣體分子（如揮發(fā)性有機(jī)物VOCs、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑）具有高選擇性和高靈敏度的吸附響應(yīng)，可用于構(gòu)建氣體傳感器。4.藥物遞送與生物醫(yī)學(xué)：利用MOFs的孔道裝載藥物或成像劑，實(shí)現(xiàn)靶向遞送和控釋。5.分離膜：作為分離膜材料，用于液體或氣體的分離純化。當(dāng)前研究熱點(diǎn)：1.穩(wěn)定性提升：提高M(jìn)OFs在溶劑