2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程中的材料電化學(xué)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在電化學(xué)體系正極發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)，電子通過外電路流向（）。A.陽極B.陰極C.電解質(zhì)D.導(dǎo)線2.電極反應(yīng)的過電勢是指（）。A.電極電勢與標(biāo)準(zhǔn)電極電勢之差B.陰極電勢與陽極電勢之差C.測量電極電勢時(shí)所施加的電位差D.實(shí)際電極反應(yīng)電勢與平衡電勢之差3.法拉第定律表明，通過電極的電量與（）成正比。A.電極反應(yīng)速率B.過電勢大小C.電極電勢D.發(fā)生電極反應(yīng)的物質(zhì)摩爾數(shù)4.在電化學(xué)阻抗譜(EIS)中，常用來表示電極與電解液界面電容的阻抗元件是（）。A.電阻B.感抗C.容抗D.理想電導(dǎo)5.循環(huán)伏安法(CV)主要用于研究（）。A.電極過程的動力學(xué)參數(shù)B.金屬的腐蝕速率C.電解液的導(dǎo)電性D.電極材料的穩(wěn)定性6.能斯特方程描述了電極電勢與（）之間的關(guān)系。A.電極面積B.電極反應(yīng)速率C.電極材料D.?活度(濃度)的冪次方乘積7.對于一個(gè)不可逆電極過程，其動力學(xué)生成公式中的Tafel斜率與（）有關(guān)。A.電極電勢B.活化能C.電極面積D.電解液濃度8.在腐蝕電化學(xué)中，通常將發(fā)生氧化反應(yīng)、使金屬失電子的電極稱為（）。A.正極B.負(fù)極C.陽極D.陰極9.電化學(xué)修飾是指通過（）改變電極表面性質(zhì)，從而改變其電化學(xué)行為的過程。A.改變電解液成分B.改變電極電位C.在電極表面附著或沉積一層物質(zhì)D.改變電極尺寸10.燃料電池中，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的核心部件是（）。A.電解質(zhì)B.陽極C.陰極D.電極催化劑二、簡答題1.簡述過電勢的組成及其物理意義。2.解釋什么是電化學(xué)阻抗譜，并說明其基本原理。3.闡述影響電極過程速率的主要因素。4.簡述犧牲陽極陰極保護(hù)法的原理。三、計(jì)算題1.在一個(gè)電解池中，以鉑電極為陰極，銅電極為陽極電解水。若陽極產(chǎn)生0.56升氫氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），計(jì)算轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)和銅陽極消耗的質(zhì)量（銅的摩爾質(zhì)量為63.55g/mol）。2.某電化學(xué)體系在0.1mol/L的HCl溶液中，測得某電極過程的Tafel斜率為120mV/decade(25°C)，活化過電勢為50mV。假設(shè)電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=1，計(jì)算該電極過程的交換電流密度。四、論述題1.論述電化學(xué)合成在制備納米材料方面的優(yōu)勢，并舉例說明一種利用電化學(xué)方法合成的納米材料及其潛在應(yīng)用。2.結(jié)合材料科學(xué)的觀點(diǎn)，分析提高鋰離子電池正極材料電化學(xué)性能（如容量、循環(huán)壽命、倍率性能）的幾個(gè)關(guān)鍵因素。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.D4.C5.A6.D7.B8.C9.C10.B二、簡答題1.解析思路：首先定義過電勢（實(shí)際電極電勢與平衡電極電勢之差）。然后，從電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)出發(fā)，指出非平衡狀態(tài)下，電極反應(yīng)需要克服的能壘。最后，將能壘分解為兩個(gè)主要部分：活化過電勢（克服反應(yīng)活化能壘）和濃度過電勢（克服反應(yīng)物/產(chǎn)物擴(kuò)散障礙引起的電勢差）。解釋每個(gè)部分的物理意義。*答案：過電勢(η)是指電極反應(yīng)實(shí)際發(fā)生的電勢與平衡電勢之差。在非平衡狀態(tài)下，電極反應(yīng)需要克服一定的能壘才能進(jìn)行。這個(gè)能壘包括兩部分：活化過電勢和濃度過電勢?；罨^電勢是克服反應(yīng)的活化能壘所需的電勢差；濃度過電勢是由于反應(yīng)物或產(chǎn)物在電極表面的濃度與溶液本體濃度不同，導(dǎo)致擴(kuò)散層內(nèi)產(chǎn)生電勢差所致?？傔^電勢是這兩部分之和。2.解析思路：首先定義電化學(xué)阻抗譜（EIS），說明其利用正弦交流電壓或電流通過電化學(xué)體系，測量其阻抗隨頻率變化的譜圖技術(shù)。然后，解釋其基本原理，即利用交流電路的阻抗概念（電阻、電容、電感及其組合）來模擬電化學(xué)體系（電極/電解液界面和體相的電子/離子傳遞過程），通過分析阻抗譜圖（如奈奎斯特圖）上的特征（半圓直徑、直線斜率等）來獲得關(guān)于電極過程信息（如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容、擴(kuò)散阻抗等）。*答案：電化學(xué)阻抗譜(EIS)是一種測量電化學(xué)體系對正弦交流電信號響應(yīng)的技術(shù)，通過繪制阻抗值（Z）隨頻率（ω）變化的圖譜（通常是奈奎斯特圖）來研究電極過程。其基本原理是將電化學(xué)體系等效為一個(gè)交流電路，用電阻(R)、電容(C)、電感(L)等元件組合來模擬電極/電解液界面和體相的電子或離子傳遞過程。通過分析阻抗譜圖上的特征（如半圓直徑、直線斜率、頻率響應(yīng)點(diǎn)），可以獲得電極過程的動力學(xué)參數(shù)（如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容、濃差極化阻抗等）。3.解析思路：從電極過程發(fā)生的微觀機(jī)制入手，列出影響反應(yīng)速率的主要因素。包括熱力學(xué)因素（平衡常數(shù)，間接影響）、動力學(xué)因素（活化能、反應(yīng)物濃度/活度）、電極表面因素（電極材料、表面狀態(tài)、粗糙度、修飾層）、電解液因素（離子濃度、種類、溫度、粘度、溶劑效應(yīng)）以及外部條件（電極電位、電場強(qiáng)度、光照、攪拌等）?？梢灾攸c(diǎn)強(qiáng)調(diào)活化能和濃度梯度對速率的直接控制作用。*答案：影響電極過程速率的主要因素包括：1)電極電位：決定了反應(yīng)的驅(qū)動力；2)活化能：直接反映了反應(yīng)的難易程度；3)電極反應(yīng)物/產(chǎn)物的濃度或活度：濃度越高（活度越大），反應(yīng)速率越快；4)電極材料：不同的材料具有不同的催化活性或反應(yīng)路徑；5)電極表面狀態(tài)：包括表面粗糙度、是否存在活性位點(diǎn)、是否有覆蓋層或修飾等；6)電解液性質(zhì)：離子濃度、種類、溫度、粘度等都會影響離子遷移和傳遞速率；7)外部條件：如電極電位掃描速率、攪拌情況、光照等。4.解析思路：首先說明腐蝕是金屬發(fā)生電化學(xué)氧化的過程。犧牲陽極保護(hù)法利用了電化學(xué)原電池原理。然后，指出被保護(hù)金屬作為正極（陰極），犧牲陽極（電位更負(fù)的金屬）作為負(fù)極（陽極）。犧牲陽極因其電位更負(fù)，更容易失去電子發(fā)生氧化溶解，從而優(yōu)先腐蝕。其結(jié)果是，被保護(hù)金屬作為正極受到陰極保護(hù)，減緩了其腐蝕速率。*答案：犧牲陽極陰極保護(hù)法是一種陰極保護(hù)方法。其原理是基于電化學(xué)原電池。將一種電位更負(fù)（更活潑）的金屬（犧牲陽極）與需要保護(hù)的金屬（被保護(hù)金屬）連接并浸入同一電解質(zhì)中。由于電位差，犧牲陽極作為負(fù)極（陽極）發(fā)生氧化反應(yīng)而優(yōu)先腐蝕溶解，而被保護(hù)金屬作為正極（陰極）得到電子，從而受到保護(hù)，減緩了其腐蝕速率。三、計(jì)算題1.解析思路：第一步，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積（22.4L/mol）計(jì)算氫氣的摩爾數(shù)。第二步，根據(jù)法拉第定律（1摩爾電子轉(zhuǎn)移對應(yīng)1法拉第電量，96485C/mol），計(jì)算轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)（等于氫氣摩爾數(shù)，因?yàn)殡娊馑瓾?+2e?→2OH?）。第三步，根據(jù)銅的電極反應(yīng)（Cu→Cu2?+2e?）和轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，計(jì)算消耗的銅的摩爾數(shù)（電子摩爾數(shù)/2）。第四步，根據(jù)銅的摩爾質(zhì)量，計(jì)算消耗的銅的質(zhì)量（銅摩爾數(shù)×摩爾質(zhì)量）。*答案：(1)氫氣摩爾數(shù)=0.56L/22.4L/mol=0.025mol。(2)轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)=0.025mol(根據(jù)H?+2e?)。(3)消耗的銅摩爾數(shù)=0.025mol/2=0.0125mol(根據(jù)Cu→Cu2?+2e?)。(4)消耗的銅質(zhì)量=0.0125mol×63.55g/mol=0.7944g。答：轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)為0.025mol，銅陽極消耗的質(zhì)量為0.7944g。2.解析思路：Tafel方程的對數(shù)形式為η=bα+bβlog(i)或η=bα+bβ*0.1152log(i)(25°C時(shí)，bβ=0.1152V/decade)。其中，bα是陽極Tafel斜率，bβ是陰極Tafel斜率?；罨^電勢ηa=bα*log(ia/io)，其中ia是陽極電流密度，io是交換電流密度。已知ηa和bα，可以求出陽極電流密度ia/io的值。由于活化過電勢通常指陽極過電勢，且未指明電流方向，此處假設(shè)ηa=50mV。利用活化過電勢公式求解io，即ηa=bα*log(ia/io)，由于通常在平衡附近或測量時(shí)ia≈io，故log(ia/io)≈log(1)=0，此思路可能需調(diào)整。更合理的思路是：若活化過電勢ηa定義為陽極過電勢，且與bα相關(guān)，則ηa=bα*log(ia/io)。若假設(shè)體系處于穩(wěn)態(tài)或特定電流下，可聯(lián)立求解。但題目條件不完整，直接求解io困難。另一種理解是，題目可能簡化了條件，或ηa指的是與交換電流密度相關(guān)的某個(gè)特定電位差定義。此處按標(biāo)準(zhǔn)Tafel關(guān)系處理，若假設(shè)活化過電勢與交換電流密度相關(guān)聯(lián)（如ηa=bα*log(ia/io)，且ia被指定或隱含），則需補(bǔ)充信息。按標(biāo)準(zhǔn)公式η=bα+bβlog(i)，若ηa=bα+bβlog(ia)，則bα=ηa-bβlog(ia)。交換電流密度io定義為平衡時(shí)的電流密度，此時(shí)ηa=0，故0=bα-bβlog(io)。即bα=bβlog(io)。則log(io)=bα/bβ。io=10^(bα/bβ)。若假設(shè)bα=bβ(常見于簡化模型或特定條件)，則io=10^(bα/bβ)=10^1=10^(bα/bβ)。若bα=120mV/decade，bβ=120mV/decade，則io=10^(120/120)=10^1=3.16A/cm2。此為一種可能的簡化計(jì)算方式。*答案：根據(jù)Tafel方程的對數(shù)形式η=bα+bβlog(i)(25°C,bβ=0.1152V/decade)，其中bα是Tafel斜率，bβ是0.1152V/decade?；罨^電勢ηa通常與陽極Tafel斜率bα相關(guān)，形式為ηa=bα*log(ia/io)。已知ηa=50mV,bα=120mV/decade。若假設(shè)體系在某個(gè)電流下的活化過電勢由bα決定（忽略bβ項(xiàng)或認(rèn)為bα主導(dǎo)），則ηa≈bα*log(ia/io)。但通常log(ia/io)不為0。更標(biāo)準(zhǔn)的處理是，交換電流密度io定義為平衡時(shí)（η=0）的電流密度。此時(shí)，陽極Tafel方程為ηa=bα*log(ia/io)。若假設(shè)在測量條件下ia≈io，則log(ia/io)≈log(1)=0，此時(shí)ηa=0，與已知50mV矛盾。另一種理解是，題目可能指陰極Tafel斜率bβ與ηa相關(guān)，或ηa是一個(gè)廣義的過電勢。若按ηa=bα*log(ia/io)計(jì)算，需知道ia才能求io。若假設(shè)bα=bβ=120mV/decade，則50mV=120mV*log(ia/io)。log(ia/io)=50/120=0.4167。ia/io=10^0.4167≈2.63。但無法直接求io。若認(rèn)為ηa主要由bα決定，忽略bβ，則log(ia/io)≈-ηa/bα=-50mV/120mV/decade=-0.4167。ia/io=10^-0.4167≈0.38。仍無法求io。由于信息不足，無法直接精確計(jì)算io。若題目隱含bα=bβ，則io=10^(bα/bβ)=10^1=10A/cm2。此為一種基于假設(shè)的簡化計(jì)算。答：根據(jù)給定數(shù)據(jù)，無法直接精確計(jì)算交換電流密度io。若假設(shè)bα=bβ=120mV/decade且體系在某個(gè)狀態(tài)下的過電勢主要由bα決定，則可近似估算io=10^(bα/bβ)=10A/cm2。**(注：此計(jì)算題答案部分存在信息不足導(dǎo)致無法唯一確定答案的問題，實(shí)際出題時(shí)應(yīng)確保條件完整可解。)*四、論述題1.解析思路：第一部分，闡述電化學(xué)合成的優(yōu)勢：①操作簡單、條件溫和（相比高溫高壓的化學(xué)合成）；②可控性強(qiáng)（可通過電位控制反應(yīng)、形貌、尺寸、組成）；③選擇性好（可選擇性沉積或合成特定物質(zhì)）；④可在基體表面原位生長；⑤易于制備納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、納米管、超薄層）；⑥可用于制備功能性薄膜和復(fù)合材料。第二部分，舉例說明：選擇一種具體的納米材料（如納米二氧化鈦/TiO?，納米金/Au，或某種導(dǎo)電聚合物納米材料），描述其利用電化學(xué)方法合成的典型過程（如電沉積、電化學(xué)氧化、電化學(xué)還原等），并說明其具有的獨(dú)特性質(zhì)（如高比表面積、優(yōu)異的光催化活性、電催化活性、傳感性能等）及其潛在應(yīng)用（如光催化降解有機(jī)污染物、水分解制氫、傳感器、生物醫(yī)學(xué)電極等）。*答案：電化學(xué)合成在制備納米材料方面具有顯著優(yōu)勢。首先，電化學(xué)合成通常在相對溫和的條件下進(jìn)行（如室溫、常壓），操作簡單易控制。其次，通過精確調(diào)控電極電位、電位掃描速率、電流密度、電解液組成和pH值等電化學(xué)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對納米材料形貌（如顆粒、線、管、片）、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、組成和表面性質(zhì)的精確控制。此外，電化學(xué)方法可以在基體材料（如金屬、半導(dǎo)體）表面原位、選擇性地生長納米結(jié)構(gòu)，形成功能復(fù)合材料。利用法拉第沉積，可精確控制納米材料的厚度和摻雜。電化學(xué)合成特別適用于制備具有高比表面積的納米材料，如納米顆粒、納米線、納米管和超薄層，這些材料通常具有優(yōu)異的催化活性、光電響應(yīng)性、傳感性能等。例如，電化學(xué)方法可以方便地合成金納米顆粒。通過控制電位，可以在不同基底上沉積不同尺寸和形狀的金納米顆粒。這些金納米顆粒因其優(yōu)異的光散射和電催化特性，在表面增強(qiáng)光譜學(xué)、生物傳感器、催化和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如藥物遞送、植入式電極）具有廣泛的應(yīng)用前景。又如，電化學(xué)陽極氧化可以在鈦(Ti)表面原位制備銳鈦礦相納米二氧化鈦(TiO?)納米管陣列。這種結(jié)構(gòu)具有極高的比表面積、良好的光吸收能力和優(yōu)異的電化學(xué)活性，使其在光催化降解有機(jī)污染物、水分解制氫以及作為高效電極材料等方面展現(xiàn)出巨大潛力。2.解析思路：結(jié)合材料科學(xué)觀點(diǎn)，分析影響鋰離子電池正極材料性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素。第一點(diǎn)，電極材料本身的性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)（決定層狀、尖晶石、橄欖石等結(jié)構(gòu)類型及其穩(wěn)定性、離子遷移通道的尺寸和形貌）、化學(xué)組成（元素種類、價(jià)態(tài)、摩爾比，影響氧化還原能力、理論容量）、電子結(jié)構(gòu)（決定能帶結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移速率）、離子半徑匹配性（影響嵌入/脫出離子的穩(wěn)定性）。第二點(diǎn)，材料的形貌和結(jié)構(gòu)：顆粒尺寸、形貌（片狀、針狀、立方體等）、比表面積、孔隙率、顆粒分布均勻性、結(jié)晶度等，這些因素直接影響電極的電子/離子傳輸路徑長度、反應(yīng)接觸面積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（循環(huán)過程中的體積變化）。第三點(diǎn)，界面性質(zhì)：電極材料與電解液之間的界面相（SEI膜）的形成、穩(wěn)定性與離子電導(dǎo)率，以及電極材料與集流體之間的結(jié)合力，都深刻影響電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命。第四點(diǎn)，表面改性：對正極材料表面進(jìn)行包覆、摻雜或表面處理，可以改善其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抑制副反應(yīng)、調(diào)節(jié)SEI膜組成、提高離子/電子導(dǎo)電性等。*答案：提高鋰離子電池正極材料電化學(xué)性能涉及多個(gè)材料科學(xué)層面的關(guān)鍵因素。首先，正極材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。其晶體結(jié)構(gòu)決定了離子的嵌入/脫出機(jī)制、通道尺寸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，層狀氧化物（如LiCoO?,