2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——無機材料的多功能化設計研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.下列哪種材料通常被認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.同時具備光催化降解有機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，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.設計一種用于廢水處理的光催化材料時，需要重點考慮的關鍵因素不包括？（）A.材料的光催化活性（對目標污染物降解效率）B.材料的化學穩(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（對于可能接觸人體的應用）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構，從而增強其吸附或催化性能？（）A.離子交換B.表面包覆C.材料復合或負載D.結構缺陷工程（如摻雜）5.資源化學專業(yè)視角下，評價一種無機材料多功能化設計成功與否，除了考慮其功能性能外，還應特別關注？（）A.材料的制備過程是否簡單快捷B.是否能有效利用廉價或廢棄的地球資源C.材料的力學強度是否足夠高D.材料的量子效率是否達到理論極限6.X射線衍射（XRD）技術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.晶體結構和物相組成D.元素價態(tài)和化學鍵合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”在無機材料多功能化設計中的主要作用是？（）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)控點缺陷、位錯等，精確調(diào)控材料的電子結構或能帶隙，從而改變其功能C.增加材料的晶體缺陷，以降低其熔點D.使材料具有非晶態(tài)結構，以避免結晶帶來的各向異性9.在設計利用稀土礦物制備的功能材料時，必須考慮的關鍵環(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稀土元素的回收與環(huán)境影響D.材料運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)點通常不包括？（）A.溫度要求相對較低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（請將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.無機材料的多功能化設計，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，是資源化學中實現(xiàn)__________的重要途徑之一。3.為了提高無機光催化材料在可見光區(qū)的響應能力，常通過__________或__________等策略來調(diào)控其能帶結構。4.在設計一種用于鋰離子電池的負極材料時，需要關注其__________、__________和循環(huán)穩(wěn)定性等關鍵性能指標。5.“綠色化學”原則在無機材料多功能化設計中的體現(xiàn)，例如采用__________合成路線，選用__________溶劑，并關注材料的__________。6.X射線光電子能譜（XPS）技術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材料物理混合或化學復合，可以制備出具有__________功能的復合材料。8.氧化鋅（ZnO）材料是一種常見的__________材料和__________材料。9.設計基于地熱資源利用的多功能材料時，應考慮其耐高溫、耐腐蝕性能以及與地熱環(huán)境的__________。10.將生物質(zhì)資源（如秸稈、稻殼）轉(zhuǎn)化為功能性的無機材料，是資源化學領域?qū)崿F(xiàn)__________和__________的重要研究方向。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述利用水熱合成法制備無機功能材料的原理及其至少兩個優(yōu)點。2.解釋什么是“結構-功能關系”，并舉例說明如何在材料設計中利用這種關系來實現(xiàn)多功能化。3.針對工業(yè)煙氣脫硝，設計一種基于無機材料的催化凈化方案，并簡述其工作原理。4.簡述在資源化學專業(yè)背景下，進行無機材料多功能化設計研究時，需要重點考慮的資源環(huán)境因素。四、論述題（請結合所學知識，圍繞以下主題進行論述，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）的無機材料的設計思路、關鍵問題和潛在價值。2.深入探討無機材料多功能化設計中的“協(xié)同效應”現(xiàn)象，結合具體實例說明如何通過構建協(xié)同結構或復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多功能材料（如鈣鈦礦、金屬有機框架MOFs、自修復材料等），分析其結構特征、主要功能、當前研究熱點、面臨的挑戰(zhàn)以及在資源化學領域的應用前景。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.D5.B6.C7.C8.B9.C10.D二、填空題1.結構，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、簡答題1.原理：水熱合成法是在高溫（通常>100°C）和高壓（對應于相應溫度下水的飽和蒸汽壓）的水溶液或水蒸氣氣氛中進行的無機合成反應。利用水作為溶劑和反應介質(zhì)，在密閉的反應器（高壓釜）內(nèi)，高溫高壓條件能促進難溶化合物的溶解、離子的傳輸和晶體的生長。優(yōu)點：1.反應溫度高，能有效克服某些反應物在常溫常壓下的反應能壘，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，對某些反應有催化作用。4.易于控制產(chǎn)物的晶相、形貌和尺寸，通過改變溫度、壓力、時間、前驅(qū)體種類和濃度等條件，可以獲得多樣化的材料結構。2.結構-功能關系：指材料的宏觀性能（功能）與其微觀或宏觀結構（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)系和決定性關系。即材料的結構特征決定了其物理化學性質(zhì)，進而決定了其功能表現(xiàn)。設計利用：在多功能化設計時，可以通過精確調(diào)控材料的結構參數(shù)來引導其功能的實現(xiàn)。例如，設計具有特定孔道結構的多孔材料，可以增大比表面積，增強吸附功能；通過納米技術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和光學、磁學、催化等性能；通過引入特定的點缺陷或替位/間隙雜質(zhì)（缺陷工程），可以改變材料的能帶結構、電子云分布或離子價態(tài)，從而調(diào)控其光催化、電催化、傳感等功能；通過構建復合材料，將具有不同功能的組分復合在一起，利用組分間的協(xié)同作用或界面效應，實現(xiàn)單一組分無法具備的多功能。理解并利用好結構-功能關系，是指導材料多功能化設計的關鍵。3.催化凈化方案：設計一種基于無機非均相催化劑的煙氣脫硝方案。工作原理：將無機催化劑（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，裝填于煙氣處理設備（如反應器）。當含有NOx（主要是NO和NO?）的工業(yè)煙氣通過催化劑表面時，在一定的溫度條件下（通常300-400°C），催化劑表面的活性位點（如金屬氧化物提供的酸性位點或氧化位點）能夠吸附NOx分子。催化劑提供吸附位點并降低反應活化能，促進NOx發(fā)生還原反應，通常利用煙氣中的CO或H?作為還原劑，將NO還原為N?，同時CO或H?被氧化為CO?或H?O。對于NO?，也可能發(fā)生吸附-氧化-還原或直接與CO反應等途徑轉(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)濟性：所選用的基礎無機資源（如礦石、廢料）是否豐富、分布廣泛、開采或獲取成本是否經(jīng)濟可行。設計應優(yōu)先利用豐富、低價值或廢棄物資源。*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。設計時應考慮采用清潔生產(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，是否會污染土壤、水體和大氣。設計時需評估材料的環(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：材料在使用壽命結束后是否易于回收利用，能否重新進入資源循環(huán)?？紤]材料的全生命周期環(huán)境影響，設計易于分離、回收和再利用的功能材料。*應用場景的環(huán)境兼容性：材料在實際應用環(huán)境（如特定溫度、濕度、酸堿度、化學介質(zhì)）中的穩(wěn)定性和耐久性，是否會發(fā)生降解、釋放有害物質(zhì)或造成二次污染。四、論述題1.設計思路：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，通過合適的預處理、配料比設計、合成工藝（如水熱、固相燒結、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），制備具有目標功能的材料。關鍵問題：1.雜質(zhì)影響：粉煤灰和鋼渣成分復雜，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、時間、氣氛）將其轉(zhuǎn)化為具有高反應活性的形態(tài)（如無定形、晶格缺陷）。3.結構調(diào)控：控制材料的孔結構（孔徑、比表面積）、晶相組成、形貌等是實現(xiàn)特定功能（如吸附、催化）的關鍵，需要優(yōu)化工藝參數(shù)。4.性能匹配：需要根據(jù)目標應用場景，平衡材料的多種性能要求（如吸附容量、催化活性、機械強度、化學穩(wěn)定性等）。潛在價值：1.資源化利用：將大量工業(yè)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為有價值的材料，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，減少對自然資源的開采，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。4.多功能集成：可以通過調(diào)控成分和結構，制備出同時具有吸附、催化、離子交換等多種功能于一體的復合材料，滿足復雜應用需求。2.協(xié)同效應：指在復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致整體性能（一個或多個性能）顯著超過各組分單獨性能之和的現(xiàn)象。這種效應源于組分間的界面相互作用、物理/化學耦合、結構互補或功能互補。具體實例與機制：1.異質(zhì)結半導體復合：如將銳鈦礦型TiO?與石墨烯復合。TiO?光生空穴易與水或氧氣反應，導致量子效率不高。石墨烯具有優(yōu)異的導電性和大的比表面積。兩者復合后，石墨烯可以作為電子導電路徑，有效分離光生電子-空穴對，抑制復合，提高光催化效率；同時，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。這是典型的電子-空穴對分離協(xié)同效應。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，促進NO吸附和反應中間體生成；V?O?則具有較強的氧化還原能力，并能活化氧分子。兩者協(xié)同作用，提高了催化劑對NO的吸附和轉(zhuǎn)化活性，拓寬了反應溫度窗口。這是酸堿性質(zhì)與氧化還原能力協(xié)同效應。3.吸附復合材料：如將離子交換樹脂（如季銨鹽陽離子交換樹脂）負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行選擇性去除，實現(xiàn)協(xié)同吸附，提高吸附效率和選擇性。設計策略：利用協(xié)同效應進行多功能化設計，關鍵在于選擇合適的組分、優(yōu)化組分比例、精確控制界面結構和相互作用。需要深入理解各組分的功能機制以及它們之間可能產(chǎn)生的相互作用模式。3.選擇材料：金屬有機框架（MOFs）結構特征：MOFs是由金屬離子或簇（節(jié)點）與有機配體（連接體）通過配位鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡結構的晶態(tài)多孔材料。其結構特點包括：極高的比表面積和孔隙率、可調(diào)定的孔道尺寸和化學環(huán)境、可設計的孔道形態(tài)（微孔、介孔）、豐富的金屬節(jié)點種類和有機配體多樣性，從而賦予材料可調(diào)的物理化學性質(zhì)。主要功能：1.氣體吸附與儲存：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存方面顯示出巨大潛力。2.催化：MOFs的金屬節(jié)點或有機配體可以作為活性位點，用于多種催化反應，如氧化、還原、異構化等。其可調(diào)的孔道環(huán)境也有利于反應物和產(chǎn)物的傳輸。3.傳感：MOFs對特定氣體分子（如揮發(fā)性有機物VOCs、爆炸物、化學戰(zhàn)劑）具有高選擇性和高靈敏度的吸附響應，可用于構建氣體傳感器。4.藥物遞送與生物醫(yī)學：利用MOFs的孔道裝載藥物或成像劑，實現(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。當前研究熱點：1.穩(wěn)定性提升：提高MOFs在溶劑