2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——光電材料在應(yīng)用化學(xué)中的應(yīng)用探索考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.光電材料吸收光能后，能夠產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為__________效應(yīng)，這是光電轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。2.半導(dǎo)體光電材料的能帶結(jié)構(gòu)中，充滿電子的帶稱為__________帶，空著的帶稱為__________帶。3.TiO?是一種常用的光催化劑，其帶隙約為3.2eV，主要適用于降解__________波長的光。4.在光電化學(xué)傳感中，利用物質(zhì)對特定analyte的選擇性行為變化（如光學(xué)信號(hào)）來檢測該物質(zhì)的原理稱為__________原理。5.量子點(diǎn)作為一種納米半導(dǎo)體材料，其尺寸效應(yīng)導(dǎo)致了其光吸收和光發(fā)射峰表現(xiàn)出__________特性。6.將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置稱為__________。7.光電催化反應(yīng)中，利用光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)污染物降解或目標(biāo)產(chǎn)物合成，體現(xiàn)了光電材料在__________領(lǐng)域的應(yīng)用。8.有機(jī)光電材料相對于無機(jī)光電材料，通常具有__________的優(yōu)勢。9.提高光電材料電荷分離效率的關(guān)鍵在于降低電荷__________勢壘。10.光致變色材料在光照下能夠發(fā)生顏色變化，且該變化具有__________特性。二、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種材料通常被認(rèn)為是一種高效的光電材料？（）A.金屬鐵B.導(dǎo)電聚合物C.高分子絕緣體D.空氣2.光伏效應(yīng)主要基于哪種物理過程？（）A.光的衍射B.光的干涉C.半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的特性D.電磁感應(yīng)3.在光催化氧化反應(yīng)中，光生空穴主要參與氧化哪種物質(zhì)？（）A.溶劑分子B.氧氣C.電解質(zhì)離子D.催化劑表面4.下列哪種傳感器不屬于光電化學(xué)傳感器？（）A.氧氣傳感器B.pH傳感器C.重金屬離子傳感器D.質(zhì)子交換膜傳感器5.量子confinement效應(yīng)對量子點(diǎn)性質(zhì)的主要影響是？（）A.提高了材料的導(dǎo)電性B.調(diào)控了材料的光學(xué)帶隙C.增強(qiáng)了材料的化學(xué)穩(wěn)定性D.增大了材料的比表面積6.光電池中，為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，通常需要？（）A.增大電池的面積B.提高半導(dǎo)體的帶隙寬度C.增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性D.降低半導(dǎo)體的禁帶寬度7.光致變色材料恢復(fù)原色通常需要？（）A.更高強(qiáng)度的光照B.不同的溶劑環(huán)境C.溫度變化D.通常是熱或光（如可見光）誘導(dǎo)可逆8.光催化反應(yīng)中，產(chǎn)生電子-空穴對的光子能量必須大于半導(dǎo)體的？（）A.離子化能B.能隙寬度C.氧化電位D.還原電位9.下列哪種方法不屬于常用的光電材料制備方法？（）A.溶膠-凝膠法B.水熱法C.噴霧熱解法D.熔融鹽法10.光電材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)為？（）A.制備新型藥物B.開發(fā)高效的光伏器件和光催化體系C.設(shè)計(jì)新型紡織材料D.用于食品包裝三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的基本原理。2.闡述光催化材料應(yīng)具備的基本特性。3.簡述光化學(xué)傳感器的傳感過程。4.列舉至少三種不同類型的光電材料，并簡述其主要應(yīng)用領(lǐng)域。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述提高光催化反應(yīng)效率的途徑。2.論述光電材料在發(fā)展綠色化學(xué)和可持續(xù)能源方面的重要意義。五、計(jì)算題（10分）某半導(dǎo)體光催化劑的禁帶寬度E<0xE1><0xB5><0xA8>=2.5eV。計(jì)算該光催化劑能夠吸收的光子的最大波長是多少？(普朗克常數(shù)h=6.626x10^-34J·s，光速c=3.0x10^8m/s，1eV=1.602x10^-19J)六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，用于初步篩選某種新型半導(dǎo)體材料是否具有光催化降解有機(jī)染料（如亞甲基藍(lán)）的能力。請簡述實(shí)驗(yàn)所需的主要材料、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟以及需要觀察和記錄的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.光電2.導(dǎo)帶，價(jià)帶3.紫外4.選擇性5.尺寸依賴（或尺寸效應(yīng)）6.光伏電池（或太陽能電池）7.環(huán)境保護(hù)（或污染治理）8.可加工性（或易功能化）9.復(fù)合（或分離）10.可逆二、選擇題（每題3分，共30分）1.B2.C3.B4.D5.B6.D7.D8.B9.D10.B三、簡答題（每題5分，共20分）1.內(nèi)光電效應(yīng)是指光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對）的現(xiàn)象。當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，光子被材料吸收，其能量傳遞給電子，使電子克服禁帶勢壘從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，留下空穴，從而在材料內(nèi)部形成電子和空穴對。外光電效應(yīng)是指光照射到某些金屬表面時(shí)，如果光子能量足夠大，會(huì)使金屬表面的電子逸出材料外部，形成光電子流的現(xiàn)象。這通常發(fā)生在光電陰極材料上。2.光催化材料應(yīng)具備的基本特性包括：①合適的能帶結(jié)構(gòu)，具有足夠的禁帶寬度以吸收目標(biāo)光源，且光生電子和空穴具有較長的壽命和較低的復(fù)合速率；②高比表面積和良好的光散射能力，以增加光吸收和反應(yīng)接觸機(jī)會(huì)；③優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能在反應(yīng)條件下長期保持結(jié)構(gòu)和活性；④良好的導(dǎo)電性（對于光電轉(zhuǎn)換器件），或能有效地將光生載流子快速傳輸?shù)讲牧媳砻鎱⑴c反應(yīng)；⑤低成本、易制備、無毒或低毒。3.光化學(xué)傳感器的傳感過程通常包括以下步驟：①目標(biāo)analyte分子與傳感器分子發(fā)生選擇性相互作用（如配位、絡(luò)合、氧化還原、酸堿反應(yīng)等），導(dǎo)致傳感器分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（如光學(xué)、電化學(xué)）發(fā)生變化；②傳感器分子的變化被檢測系統(tǒng)（如光譜儀、電化學(xué)裝置）感知，產(chǎn)生可測量的信號(hào)（如吸光度、熒光強(qiáng)度、電位、電流等）的變化；③通過測量信號(hào)的變化，根據(jù)已知的關(guān)系曲線或校準(zhǔn)曲線，計(jì)算出目標(biāo)analyte的濃度。4.舉例：①TiO?，主要應(yīng)用在光催化降解有機(jī)污染物、光催化合成、自清潔表面等領(lǐng)域；②CdSe量子點(diǎn)，主要應(yīng)用在生物成像、光電探測、光電器件等領(lǐng)域；③聚苯胺（PANI），主要應(yīng)用在電致變色、光電器件、超級電容器等領(lǐng)域。其他例子如：量子dotsensitizedsolarcells(QDSSCs),Organicphotovoltaics(OPVs),Dyesensitizedsolarcells(DSSCs)等。四、論述題（每題10分，共20分）1.提高光催化反應(yīng)效率的途徑主要包括：①優(yōu)化半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，如通過元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、形成缺陷工程等，以增大光吸收范圍、降低電荷復(fù)合速率、提高光生載流子的分離效率；②增大材料的比表面積，如通過納米化、制備多孔結(jié)構(gòu)、負(fù)載助催化劑等，以增加反應(yīng)活性位點(diǎn)，提高光能利用率和反應(yīng)速率；③構(gòu)建高效的光催化反應(yīng)體系，如構(gòu)建光陽極-光陰極耦合體系，實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的空間分離，分別用于氧化和還原反應(yīng)；④優(yōu)化反應(yīng)條件，如選擇合適的溶劑、反應(yīng)溫度、pH值、光照強(qiáng)度和波長等，以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)程；⑤負(fù)載助催化劑，以降低反應(yīng)活化能，加速特定步驟的速率。2.光電材料在發(fā)展綠色化學(xué)和可持續(xù)能源方面具有重要意義。在綠色化學(xué)方面，光電材料特別是光催化材料，為實(shí)現(xiàn)污染物的原位、高效降解提供了新的技術(shù)途徑，有助于解決環(huán)境污染問題，符合綠色化學(xué)的源頭預(yù)防、清潔過程和末端治理原則。例如，利用TiO?等光催化劑在光照下降解水體中的有機(jī)污染物，無需添加化學(xué)藥劑，產(chǎn)物為無害的CO?和H?O，過程環(huán)境友好。在可持續(xù)能源方面，基于光電材料的光伏器件（太陽能電池）能夠?qū)⑷≈槐M、用之不竭的太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，是可再生能源開發(fā)的重要技術(shù)支撐，有助于減少對化石燃料的依賴，緩解能源危機(jī)和環(huán)境問題。此外，光電材料在光解水制氫、光電化學(xué)合成等領(lǐng)域的應(yīng)用，也為發(fā)展可持續(xù)的氫能源和化學(xué)品合成提供了新的解決方案，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。五、計(jì)算題（10分）解：光子能量E=hν=hc/λ，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是光波長。已知E<0xE1><0xB5><0xA8>=2.5eV，需要將eV轉(zhuǎn)換為J：1eV=1.602x10^-19J。所以E<0xE1><0xB5><0xA8>=2.5x1.602x10^-19J=4.005x10^-19J。λ=hc/E<0xE1><0xB5><0xA8>=(6.626x10^-34J·s)x(3.0x10^8m/s)/(4.005x10^-19J)≈4.97x10^-7m=497nm。答：該光催化劑能夠吸收的光子的最大波長是497nm。這表明該材料主要吸收紫外光區(qū)域的光。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（20分）實(shí)驗(yàn)方案：目的：初步篩選某新型半導(dǎo)體材料（記為M）是否具有光催化降解亞甲基藍(lán)（MB）的能力。材料與儀器設(shè)備：新型半導(dǎo)體材料M粉末、亞甲基藍(lán)溶液（已知濃度）、去離子水、磁力攪拌器、燒杯（若干）、可見分光光度計(jì)、透光率比色皿、遮光箱（或避光環(huán)境）、計(jì)時(shí)器。實(shí)驗(yàn)步驟：1.配制一系列亞甲基藍(lán)溶液：準(zhǔn)備數(shù)支100mL燒杯，分別加入10mL不同濃度梯度的亞甲基藍(lán)溶液（例如，0,1x10^-5,2x10^-5,4x10^-5,8x10^-5mol/L）和90mL去離子水，使總體積均為100mL。另取一支燒杯，加入10mL去離子水和90mL去離子水作為空白對照。2.設(shè)置光催化反應(yīng)組：取上述配置的亞甲基藍(lán)溶液（至少三個(gè)濃度梯度，如2x10^-5mol/L和4x10^-5mol/L）各一份，分別加入到潔凈的燒杯中。向每個(gè)燒杯中加入適量（如0.1g）的新型半導(dǎo)體材料M粉末，并用磁子攪拌，確保樣品均勻分散。將含有樣品和亞甲基藍(lán)溶液的混合液置于可見光源下照射（例如，使用臺(tái)式紫外可見燈，確保有足夠強(qiáng)度的可見光或紫外光照射，具體光源需根據(jù)M的吸收特性選擇）。同時(shí)設(shè)置只含亞甲基藍(lán)溶液（無M）和只含M粉末（無MB溶液）的對照樣，同樣在相同光照條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以排除光照和M本身對MB濃度的影響。3.設(shè)置黑暗對照組：取上述配置的亞甲基藍(lán)溶液（至少兩個(gè)濃度梯度，如2x10^-5mol/L和4x10^-5mol/L）各一份，分別加入到潔凈的燒杯中，加入適量新型半導(dǎo)體材料M粉末，用磁子攪拌。將此混合液置于避光環(huán)境中，以攪拌子代替光源，模擬光照條件，作為黑暗對照組，用于檢測MB是否會(huì)發(fā)生自然降解。4.取樣與檢測：在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)（如照射0min,30min,60min,90min），從每個(gè)燒杯中取出少量上清液，迅速通過0.45μm濾膜過濾（去除M粉末干擾），用透光率比色皿在可見分光光度計(jì)上測定溶液在亞甲基藍(lán)最大吸收波長（約664nm）處的吸光度A。5.數(shù)據(jù)處理與分析：利用吸光度A和空白對照組的吸光度A?，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)、每個(gè)濃度下亞甲基藍(lán)溶液的透光率T=(A-A?)/A?*100%。根據(jù)透光率T計(jì)算剩余的亞甲基藍(lán)濃度C剩余=C?*T/100%（C?為初始濃度）。繪制亞甲基藍(lán)剩余濃度C剩余隨時(shí)間