2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——金屬有機(jī)框架在氣體吸附中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是金屬有機(jī)框架（MOFs）的基本構(gòu)成單元？(A)金屬離子或團(tuán)簇(B)有機(jī)配體(C)無機(jī)納米顆粒(D)小分子溶劑2.MOF-5材料最初是由哪種配體和金屬離子合成的？(A)1,4-苯二甲酸，Zn2?(B)硬脂酸，Cu2?(C)2,5-吡啶二甲酸，Co2?(D)氰基乙酸，Ni2?3.在描述氣體吸附等溫線時(shí)，Langmuir模型主要假設(shè)什么？(A)吸附劑表面均勻，吸附熱不隨覆蓋度變化(B)吸附層可以是多分子層，吸附熱隨覆蓋度增加而降低(C)吸附劑表面不均勻，存在多種吸附位點(diǎn)(D)吸附過程僅受溫度影響，壓力影響可忽略4.當(dāng)吸附焓（ΔH）為負(fù)值時(shí)，通常表示什么？(A)吸附過程是物理吸附(B)吸附過程是放熱的(C)吸附過程需要克服較大的能壘(D)吸附劑與氣體分子作用力較弱5.對(duì)于CO?捕集應(yīng)用，通常希望MOF材料表現(xiàn)出怎樣的選擇性？(A)對(duì)CH?的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于CO?(B)對(duì)N?的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于CO?(C)對(duì)CO?的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于N?(D)對(duì)H?的吸附選擇性高6.下列哪種方法不屬于常用的MOFs后合成功能化策略？(A)離子交換(B)紫外光照射(C)引入功能化配體(D)溶劑熱處理7.在評(píng)估MOFs的儲(chǔ)氫性能時(shí)，通常使用哪個(gè)參數(shù)來衡量？(A)吸附量（mgH?/g）(B)吸附速率（mL/g·min）(C)比表面積（m2/g）(D)孔隙率（cm3/g）8.影響MOFs對(duì)極性氣體（如CO?）吸附性能的關(guān)鍵因素之一是？(A)MOFs孔道的微孔尺寸(B)MOFs配體的電負(fù)性(C)MOFs的比表面積(D)MOFs的合成溫度9.UiO-66系列MOFs通常由哪種有機(jī)配體構(gòu)成？(A)1,4-苯二甲酸(B)2,6-吡啶二甲酸(C)硬脂酸(D)氰基乙酸10.若要增強(qiáng)MOFs對(duì)CO?而非N?的吸附，可以嘗試？(A)使用更大尺寸的有機(jī)配體(B)在MOF孔道內(nèi)引入酸性位點(diǎn)(C)降低MOFs的比表面積(D)選擇對(duì)N?吸附更強(qiáng)烈的金屬節(jié)點(diǎn)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.MOFs材料通常由______和______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。2.描述吸附等溫線形狀的參數(shù)之一是______常數(shù)，它反映了吸附劑表面的均勻程度。3.吸附自由能（ΔG）是判斷吸附過程______的判據(jù)，ΔG越負(fù)，吸附越容易。4.為了提高M(jìn)OFs在室溫及低壓下對(duì)CO?的吸附容量，常通過______策略來增強(qiáng)MOF與CO?分子之間的相互作用。5.在評(píng)價(jià)MOFs儲(chǔ)氫性能時(shí)，國際通用的標(biāo)準(zhǔn)是在______條件下測得的吸附量。6.影響氣體在MOFs中吸附選擇性的因素除了氣體自身的性質(zhì)外，還與______密切相關(guān)。7.通過N?吸附-脫附等溫線可以測定MOFs的______和______。8.設(shè)計(jì)用于CO?捕集的MOFs時(shí)，除了考慮吸附容量外，還需要關(guān)注其______和______。9.ZIF-8是一種由鋅離子和______配體構(gòu)成的MOF材料，其結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。10.后合成修飾是調(diào)控MOFs性能的重要手段，例如可以通過______引入酸性或堿性位點(diǎn)，以增強(qiáng)對(duì)特定氣體的吸附選擇性。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述影響氣體在MOFs中吸附選擇性的主要因素。2.簡要說明后合成功能化在改善MOFs氣體吸附性能方面的作用。3.闡述吸附焓（ΔH）和吸附熵（ΔS）在理解氣體吸附過程中的意義。四、計(jì)算題（共15分）已知在298K下，將一定量的MOF樣品置于壓力為1bar的N?氣氛中，測得吸附量（基于樣品質(zhì)量）為50mg/g。當(dāng)壓力增加到10bar時(shí)，吸附量增加到150mg/g。請(qǐng)根據(jù)Langmuir吸附模型，計(jì)算該MOF樣品對(duì)N?的最大吸附量（q_m，單位：mg/g），并說明該計(jì)算結(jié)果是否適用于描述該體系（簡述理由）。假設(shè)N?在實(shí)驗(yàn)溫度和壓力范圍內(nèi)符合理想氣體行為。五、論述題（共30分）以CO?捕集應(yīng)用為例，詳細(xì)論述設(shè)計(jì)高效MOF吸附材料需要考慮的關(guān)鍵因素，并分析當(dāng)前MOFs在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO?捕集應(yīng)用方面面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(A)3.(A)4.(B)5.(C)6.(B)7.(A)8.(B)9.(A)10.(B)二、填空題1.金屬離子或團(tuán)簇，有機(jī)配體2.不均勻性3.自發(fā)進(jìn)行4.后合成修飾/功能化5.77K/低溫6.MOFs的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)7.比表面積，孔體積8.穩(wěn)定性，再生性能9.2-甲基咪唑10.陽離子交換/官能團(tuán)引入三、簡答題1.解析思路：影響氣體選擇性的核心在于氣體分子與MOF孔道內(nèi)表面相互作用的差異。需要從氣體性質(zhì)（大小、極性、電子親和力等）和MOF性質(zhì)（孔徑大小、形狀、孔道化學(xué)環(huán)境如酸性位點(diǎn)、路易斯酸性位點(diǎn)等）兩個(gè)層面進(jìn)行分析。例如，極性氣體傾向于與帶有酸性或堿性位點(diǎn)的MOF孔道內(nèi)表面發(fā)生相互作用，而非極性氣體則不然?？讖酱笮t決定了氣體分子的進(jìn)入能力，產(chǎn)生尺寸效應(yīng)。2.解析思路：后合成功能化是在MOF形成后，通過額外的化學(xué)步驟對(duì)其結(jié)構(gòu)或組成進(jìn)行修改，以獲得期望的性能。具體方法包括：①離子交換，用不同金屬離子或有機(jī)配體替換原有組分；②引入功能化配體或分子，通過配體交換或浸漬-置換等方法將帶特定官能團(tuán)（如酸性基團(tuán)、路易斯酸性位點(diǎn)）的分子引入MOF孔道或晶格中；③表面修飾，在MOF外表面進(jìn)行化學(xué)處理。這些方法可以有效調(diào)節(jié)MOF的孔道化學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)與特定目標(biāo)氣體分子的相互作用，從而提高吸附選擇性、容量或穩(wěn)定性。3.解析思路：吸附焓（ΔH）反映了吸附過程中體系熱效應(yīng)的大小。ΔH<0表示吸附是放熱過程，ΔH絕對(duì)值越大，放熱越多，吸附越強(qiáng)；ΔH>0表示吸附是吸熱過程。吸附熵（ΔS）反映了吸附過程中體系混亂度的變化。ΔS>0表示吸附導(dǎo)致體系混亂度增加（通常發(fā)生在氣-固界面吉布斯自由能變化主要受熵變驅(qū)動(dòng)時(shí)）；ΔS<0表示吸附導(dǎo)致體系混亂度降低（通常發(fā)生在固-固界面或氣體分子進(jìn)入有序孔道時(shí)）。ΔH和ΔS共同決定了ΔG，是理解吸附驅(qū)動(dòng)力和過程性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，有助于區(qū)分物理吸附和化學(xué)吸附，并預(yù)測吸附等溫線的形狀。四、計(jì)算題計(jì)算過程：根據(jù)Langmuir模型：q=q_m*bP/(1+bP)，其中q為吸附量，q_m為飽和吸附量，b為親和常數(shù)，P為壓力。當(dāng)P?=1bar，q?=50mg/g時(shí)：50=q_m*b*1/(1+b)當(dāng)P?=10bar，q?=150mg/g時(shí)：150=q_m*b*10/(1+10b)將第一式兩邊平方得：2500=q_m2*b2/(1+2b+b2)將第二式兩邊平方得：22500=100*q_m2*b2/(1+20b+100b2)聯(lián)立兩式消去b2，得到：22500/100=(1+20b+100b2)/(1+2b+b2)225=(1+20b+100b2)/(1+2b+b2)225(1+2b+b2)=1+20b+100b2225+450b+225b2=1+20b+100b2125b2+430b+224=0解該一元二次方程，取物理意義合理的解（b>0）：b≈0.504將b≈0.504代入50=q_m*0.504/(1+0.504)：50=q_m*0.504/1.504q_m≈150.12mg/g解析：計(jì)算結(jié)果q_m≈150.12mg/g即為Langmuir模型預(yù)測的最大吸附量。該計(jì)算基于Langmuir模型假設(shè)，該模型假設(shè)吸附劑表面均勻，只有一個(gè)吸附能，且吸附層是單分子層。在實(shí)際吸附過程中，MOF表面可能存在不均勻性，且在較高壓力下可能形成多分子層吸附，因此Langmuir模型可能只是近似描述該體系，尤其是在吸附量較高時(shí)。但作為一種理想化模型，它仍能提供關(guān)于最大吸附容量的有用信息。五、論述題解析思路：設(shè)計(jì)高效MOF吸附材料的關(guān)鍵因素：1.高吸附容量：需要具備高比表面積和/或大孔徑，以及與目標(biāo)氣體（如CO?）強(qiáng)相互作用位點(diǎn)（如含氧官能團(tuán)、路易斯酸性位點(diǎn)）的MOF結(jié)構(gòu)。配體和金屬節(jié)點(diǎn)的選擇至關(guān)重要。2.高選擇性：材料應(yīng)能優(yōu)先吸附目標(biāo)氣體（CO?）而非干擾氣體（如N?,CH?）。這主要通過調(diào)控MOF孔道環(huán)境實(shí)現(xiàn)，例如引入酸性位點(diǎn)增強(qiáng)對(duì)極性CO?的化學(xué)吸附，或精確調(diào)控孔徑尺寸產(chǎn)生尺寸效應(yīng)。3.合適的孔道結(jié)構(gòu)：孔徑大小和形狀應(yīng)匹配目標(biāo)氣體分子尺寸，并有利于氣體擴(kuò)散。高孔隙率和良好的孔道連通性也有利于實(shí)現(xiàn)高吸附容量和快速吸附/脫附。4.良好的穩(wěn)定性：MOF材料需要在目標(biāo)應(yīng)用條件（如操作溫度、壓力、濕度）下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，避免框架塌陷或組分流失。5.易于合成與分離：合成方法應(yīng)易于操作、成本可控，且MOF材料易于從應(yīng)用體系（如氣流）中分離回收，以便于再生利用。6.可再生性：吸附飽和后的MOF應(yīng)能通過簡單的方法（如壓力/溫度變化、溶劑洗脫）有效脫附目標(biāo)氣體，并恢復(fù)其吸附性能，以降低運(yùn)行成本和環(huán)境影響。當(dāng)前MOFs在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO?捕集應(yīng)用方面面臨的主要挑戰(zhàn)：1.材料成本與可scalability：大規(guī)模合成高性能MOFs的成本仍然較高，尤其是對(duì)于需要特殊配體或金屬離子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，難以滿足工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性要求。規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)尚不成熟。2.動(dòng)力學(xué)性能：許多MOFs雖然靜態(tài)吸附容量高，但在實(shí)際操作條件下（如較低壓力、室溫）的吸附/脫附速率較慢，限制了其作為動(dòng)態(tài)吸附劑的應(yīng)用效率。3.水穩(wěn)定性與選擇性：大多數(shù)用于CO?捕集的MOFs對(duì)水敏感，在潮濕環(huán)境下容易結(jié)構(gòu)坍塌或表面官能團(tuán)失活。同時(shí)，水蒸氣會(huì)與CO