2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在光催化劑中的光吸收機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)。）1.當(dāng)光子能量等于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，以下哪種情況最可能發(fā)生？(A)發(fā)生本征吸收，且電子躍遷到導(dǎo)帶(B)發(fā)生雜質(zhì)吸收，且空穴留在價帶(C)材料不吸收可見光(D)產(chǎn)生大量的熱能而非載流子2.對于同一種半導(dǎo)體材料，減小其晶粒尺寸通常會導(dǎo)致：(A)禁帶寬度變寬(B)光吸收邊向長波方向移動(C)本征吸收峰強度增加(D)表面態(tài)密度顯著降低3.在光催化過程中，光吸收是必不可少的步驟。其主要目的是：(A)增加反應(yīng)物的濃度(B)提高催化劑的表面活性(C)產(chǎn)生能夠參與后續(xù)化學(xué)反應(yīng)的光生載流子（電子和空穴）(D)降低反應(yīng)的活化能4.金屬沉積在半導(dǎo)體光催化劑表面，其主要增強光吸收的機制通常與以下哪項有關(guān)？(A)增加了材料的本征缺陷(B)引入了新的能級，擴展了光響應(yīng)范圍(C)顯著降低了材料的禁帶寬度(D)改善了材料的導(dǎo)電性5.與塊體材料相比，納米顆粒半導(dǎo)體通常表現(xiàn)出更強的光吸收，尤其是在可見光區(qū)域。這種現(xiàn)象最直接的原因是：(A)納米顆粒的化學(xué)活性更高(B)量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能級離散化，吸收邊發(fā)生紅移(C)納米顆粒更容易發(fā)生團聚(D)納米顆粒的比表面積更大6.某種光催化劑的吸收光譜主要在紫外區(qū)域，這意味著：(A)該材料是優(yōu)良的可見光催化劑(B)其禁帶寬度較大(C)它只能催化在紫外燈下進行的反應(yīng)(D)其制備方法成本非常低7.染料敏化太陽能電池中，染料分子的作用主要是：(A)作為電子給體，傳遞電子給半導(dǎo)體(B)增強半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子密度(C)阻止半導(dǎo)體產(chǎn)生空穴(D)提高半導(dǎo)體的禁帶寬度8.在半導(dǎo)體能帶理論中，禁帶寬度（Eg）的大小直接決定了材料能夠吸收哪種波長的光？波長與Eg的關(guān)系是？(A)λ與Eg成正比，Eg越大，λ越長(B)λ與Eg成反比，Eg越大，λ越短(C)λ2與Eg成正比，Eg越大，λ越長(D)λ2與Eg成反比，Eg越大，λ越短9.光生電子和空穴在光催化過程中容易重新復(fù)合，這會降低催化效率。以下哪種措施不利于減少電子-空穴復(fù)合？(A)增加半導(dǎo)體的比表面積(B)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)(C)摻雜不同的元素以產(chǎn)生淺能級陷阱(D)降低半導(dǎo)體的禁帶寬度10.良好的光催化劑除了需要具有合適的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收范圍外，通常還需要具備哪些特性？（請選擇所有適用項）(A)高的載流子遷移率(B)高的載流子分離效率(C)良好的化學(xué)穩(wěn)定性(D)高的選擇性二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.光子具有能量E=______，其能量與頻率ν成______比例，與波長λ成______比例。2.對于直接帶隙半導(dǎo)體，光吸收過程中電子直接從價帶躍遷到______帶。3.禁帶寬度（Eg）是決定半導(dǎo)體材料吸收光波長范圍的關(guān)鍵參數(shù)，Eg越______，材料吸收光的能力越強（在可見光區(qū)）。4.通過______或改變材料的______，可以有效地調(diào)控半導(dǎo)體光催化劑的光吸收特性。5.某種光催化劑的吸收光譜在約500nm處有一個吸收峰，這表明其能夠吸收______nm以下的光子（假定其吸收邊在此波長附近）。6.表面態(tài)通常位于半導(dǎo)體的______帶和______帶之間，它們可以捕獲光生載流子，從而影響載流子的______和______。7.g-C3N4是一種具有______帶隙寬度的半導(dǎo)體材料，其光吸收范圍可以延伸到______光區(qū)域。8.量子尺寸效應(yīng)主要影響______尺寸在納米量級的半導(dǎo)體材料的光學(xué)和電子性質(zhì)。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述光子能量與可見光/紫外光波長的關(guān)系。為什么大多數(shù)可見光催化劑具有較寬的禁帶寬度？2.解釋量子尺寸效應(yīng)對納米半導(dǎo)體光吸收性能的影響機制。3.簡要說明金屬沉積（沉積物為n型或p型）如何影響半導(dǎo)體光催化劑的光吸收特性。4.為什么說光吸收只是光催化過程中的第一步？后續(xù)的關(guān)鍵步驟是什么？四、論述題（10分。）以TiO2為例，討論其本征缺陷（如氧空位）對其光吸收性能和光催化活性可能產(chǎn)生的影響，并解釋其作用機制。試卷答案一、選擇題1.(A)2.(B)3.(C)4.(B)5.(B)6.(B)7.(A)8.(B)9.(D)10.(A)(B)(C)二、填空題1.hν,正,反2.導(dǎo)3.小4.摻雜,化學(xué)組成5.<5006.價,導(dǎo),分離,復(fù)合7.約2.7eV,可見8.一維三、簡答題1.解析：光子能量E=hν，頻率ν=c/λ，其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長。因此E=hc/λ?？梢姽夂妥贤夤獾牟ㄩL范圍不同，代入公式可知，波長越短（如紫外光）的光子能量越高，波長越長（如可見光）的光子能量越低。大多數(shù)可見光催化劑的禁帶寬度在3eV左右（對應(yīng)可見光吸收的上限）。如果禁帶寬度太小（如<2eV），則材料會吸收可見光，但反應(yīng)所需的活化能可能較低，不利于選擇性；如果禁帶寬度太大（如>3.2eV），則無法吸收可見光。因此，具有適中禁帶寬度的材料能夠有效利用太陽光譜中的可見光部分，同時保證一定的反應(yīng)選擇性。2.解析：對于體相材料，電子被限制在三維的周期性勢場中，能級是連續(xù)的能帶。當(dāng)半導(dǎo)體的尺寸減小到納米量級（特別是進入量子阱、量子線、量子點等維度）時，在量子力學(xué)中，電子在某個維度上的運動受到限制，波函數(shù)在邊界處會發(fā)生反射。這導(dǎo)致能級從連續(xù)的能帶轉(zhuǎn)變?yōu)榉至⒌哪芗?，類似于原子能級。這種能級離散化現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。能級間距隨尺寸減小而增大。由于吸收光譜與能級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)（特定波長的光子對應(yīng)能級躍遷所需的能量），能級間距的變化會改變材料的吸收光譜，通常導(dǎo)致吸收邊向長波方向（能量低）移動，即吸收范圍擴展到原本不吸收的光區(qū)域。3.解析：金屬通常具有與半導(dǎo)體不同的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)n型金屬沉積在n型半導(dǎo)體表面時，由于功函數(shù)不同，在界面處會形成耗盡層或反型層，該層內(nèi)會形成勢壘。對于小于半導(dǎo)體的能隙（Eg）的光子，電子可以隧穿過這個勢壘到達金屬，從而降低了半導(dǎo)體對這部分能量的吸收效率。對于大于Eg的光子，吸收仍然發(fā)生，但界面勢壘的存在可能會影響光生電子的逸出。當(dāng)p型金屬沉積在n型半導(dǎo)體上時，如果形成異質(zhì)結(jié)，界面處會形成p-n結(jié)內(nèi)建電場。這個電場可以有效地將光生電子和空穴分別驅(qū)趕到n區(qū)和p區(qū)，極大地提高了電子-空穴對的空間分離效率。這種分離效率的提升可以間接增強催化劑的整體性能，有時也會通過改變能帶彎曲來影響吸收光譜。題目問的是“影響”，最直接的影響是n型金屬形成的勢壘對低能光子吸收的阻礙，其次是p-n結(jié)對載流子分離的影響。4.解析：光吸收是光催化過程中的第一步，目的是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，以產(chǎn)生可用于驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的光生載流子（電子和空穴）。然而，僅僅產(chǎn)生載流子并不足以完成催化任務(wù)。因為光生載流子在產(chǎn)生后很容易重新復(fù)合（電子和空穴回到原來的能級并釋放能量，通常以熱能形式），這樣光能就被浪費了，催化效率低下。因此，光催化過程的關(guān)鍵后續(xù)步驟包括：①載流子的快速分離：將產(chǎn)生的電子和空穴有效地分開，并輸運到材料表面或體相的不同位置。②載流子的傳輸：將分離后的電子和空穴輸送到反應(yīng)活性位點。③參與表面反應(yīng)：到達表面的電子和空穴分別與吸附在表面的反應(yīng)物（或介質(zhì)中的氧、水等）發(fā)生作用，最終導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。整個過程的效率取決于光吸收效率以及后續(xù)載流子分離、傳輸和反應(yīng)的效率。四、論述題解析：TiO2是一種常用的n型半導(dǎo)體光催化劑，其本征缺陷，特別是氧空位（V_O^??），對其光吸收和光催化活性有顯著影響。氧空位是TiO2晶格中氧原子缺失后留下的帶正電的缺陷，通常與一個或多個鈦空位（V_Ti^?）相關(guān)聯(lián)，并帶有未配對的電子，形成淺施主能級，位于TiO2的導(dǎo)帶底之下或緊鄰價帶頂。1.對光吸收的影響：*產(chǎn)生新的吸收峰：氧空位引入的淺施主能級可以作為電子的陷阱。當(dāng)能量低于TiO2本征吸收邊（約387nm，對應(yīng)Eg~3.0-3.2eV）的光子照射時，光生電子可以躍遷到氧空位的淺施主能級，而不是直接進入導(dǎo)帶。這些被捕獲在氧空位的電子隨后可以被激發(fā)回導(dǎo)帶，或者與價帶中的空穴復(fù)合。這個過程等效于在較低能量（長波長）處引入了額外的吸收。因此，含有氧空位的TiO2樣品通常表現(xiàn)出紅移的吸收光譜，尤其是在可見光區(qū)域吸收增強。*擴展光響應(yīng)范圍：通過吸收更長波長的光（可見光），氧空位可以更有效地利用太陽光譜，從而可能提高TiO2在可見光下的光催化活性。2.對光催化活性的影響：*促進電荷分離：氧空位作為電子陷阱，可以捕獲光生導(dǎo)帶中的電子，阻止其與價帶中的空穴復(fù)合。這有效地提高了電子-空穴對的分離效率，這是