2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在新能源領域的發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種材料的應用是鋰離子電池商業(yè)化的關鍵因素？A.鋁離子電池正極材料B.鈦酸鋰負極材料C.銀合金電極D.傳統(tǒng)的鉛酸電池電解液2.在太陽能電池中，實現(xiàn)光能到電能轉(zhuǎn)換的關鍵過程是？A.電解質(zhì)傳導離子B.電極材料的熱傳導C.半導體吸收光子并產(chǎn)生載流子分離D.金屬電極的反射3.下列哪種技術通常被歸類為電化學儲能，但與鋰離子電池的工作原理有顯著不同？A.超級電容器B.燃料電池C.鈉離子電池D.鉛酸蓄電池4.增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑之一是？A.降低電池成本B.提高電極的導電性C.增加電池的循環(huán)壽命D.使用具有帶隙接近太陽光譜的寬禁帶半導體5.在氫燃料電池中，將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的核心反應發(fā)生在？A.電解質(zhì)膜B.催化劑層C.冷卻系統(tǒng)D.電池殼體6.下列哪種催化劑是目前高效析氫反應（HER）研究中廣泛研究的貴金屬？A.鈷（Co）B.鉑（Pt）C.鎳（Ni）D.錳（Mn）7.“水系鋰離子電池”通常指的是使用哪種物質(zhì)作為電解質(zhì)的電池？A.有機溶劑B.熔融鹽C.純水D.固態(tài)電解質(zhì)8.下列哪種現(xiàn)象是鋰離子電池在長期循環(huán)后容量衰減的主要原因之一？A.電極材料的過度膨脹B.電解液的完全揮發(fā)C.電池內(nèi)部短路D.外部環(huán)境溫度過高9.在有機太陽能電池（OSC）中，通常用作電子給體的材料是？A.導電聚合物B.碳納米管C.有機半導體小分子或聚合物D.鉑碳催化劑10.將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學物質(zhì)（如燃料或化學品）的技術通常被稱為？A.光伏發(fā)電B.電化學沉積C.碳捕獲與封存D.碳捕獲與利用（CCU）二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.應用化學在發(fā)展高效、安全的鋰離子電池方面做出了重要貢獻，例如通過設計和合成新型__________材料來提高能量密度和循環(huán)壽命。2.光伏電池的基本原理是利用半導體的__________效應，將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。3.燃料電池的核心部件包括陽極、陰極和__________，它們共同構成電化學反應場所。4.超級電容器相比傳統(tǒng)電池具有更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命，但其能量密度通常較低，這主要得益于其獨特的__________結構。5.在電催化領域，提高催化劑活性的一個重要策略是調(diào)控其__________和電子結構。6.固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液，其潛在優(yōu)勢包括更高的安全性、更寬的工作溫度范圍和更高的__________。7.氫能作為一種清潔能源載體，其大規(guī)模應用面臨的主要挑戰(zhàn)之一是高效、低成本地制氫，如通過__________水分解制氫。8.有機光伏電池通常由電子給體層和__________層組成，兩者在界面處形成異質(zhì)結以促進光生載流子的分離。9.“堿錳電池”是一種常用的__________電源，其正極材料為二氧化錳。10.應用化學家在生物質(zhì)能源的開發(fā)中，致力于研究如何高效轉(zhuǎn)化__________為生物燃料或化學品。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述鋰離子電池中，鋰離子在正負極材料之間的遷移過程。2.比較固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在電解質(zhì)類型和工作溫度方面的主要差異。3.簡述一種提高太陽能電池光吸收效率的應用化學方法。4.解釋什么是電化學阻抗譜（EIS），并說明其在新能源器件表征中的作用。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述應用化學在發(fā)展高效太陽能電池材料方面的主要貢獻和面臨的挑戰(zhàn)。2.分析鋰離子電池正極材料（如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等）各自的優(yōu)勢和局限性，并探討未來的發(fā)展方向。3.結合電催化原理，論述如何設計高效的電催化劑用于析氫反應或氧還原反應，以推動水電解制氫和燃料電池技術的發(fā)展。試卷答案一、選擇題1.B*解析思路：鋰離子電池的核心在于鋰離子的嵌入和脫出，負極材料是鋰離子儲存和釋放的主要場所。鈦酸鋰（Li4Ti5O12）具有穩(wěn)定的橄欖石結構，嵌鋰電位平坦，循環(huán)壽命長，是商業(yè)化鋰離子電池的重要負極材料之一。鋁離子電池、銀合金電極、傳統(tǒng)鉛酸電池電解液均非鋰離子電池的關鍵材料。2.C*解析思路：太陽能電池的工作基礎是光伏效應，即半導體材料吸收光子后產(chǎn)生電子-空穴對，并在內(nèi)建電場作用下實現(xiàn)分離，形成光電流。這是將光能轉(zhuǎn)化為直流電能的核心物理過程。3.A*解析思路：超級電容器（或稱電化學儲能設備）通過雙電層電容或贗電容機制儲能，其充放電基于電雙層電容或快速表面氧化還原反應，過程相對簡單，功率密度極高，但能量密度通常低于電池。鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池都屬于通過電化學反應可逆儲能的電池類型。4.D*解析思路：提高光電轉(zhuǎn)換效率的關鍵在于盡可能多地吸收太陽光譜中的光子并有效分離產(chǎn)生的載流子。使用帶隙與太陽光譜匹配（約1.34eV）的半導體材料，可以吸收更廣泛波長的光，從而提高光吸收率。5.B*解析思路：氫燃料電池的核心工作原理是氫氣在陽極失去電子生成質(zhì)子和氫離子（或直接釋放質(zhì)子），電子通過外部電路流向陰極，質(zhì)子在電解質(zhì)膜中傳導到陰極，與氧氣發(fā)生還原反應生成水。這個過程發(fā)生在陰極催化劑層表面，電子轉(zhuǎn)移是核心。陽極發(fā)生氧化反應，電解質(zhì)膜負責離子傳導，冷卻系統(tǒng)用于散熱。6.B*解析思路：在電催化領域，貴金屬鉑（Pt）因其優(yōu)異的電子結構、高穩(wěn)定性和高活性，被廣泛用作燃料電池中析氫反應（HER）和氧還原反應（ORR）的高效催化劑，盡管成本高昂，但其催化性能難以替代。7.C*解析思路：“水系鋰離子電池”通常指電解質(zhì)為水溶液的鋰離子電池。雖然存在全固態(tài)水系鋰電池，但傳統(tǒng)和常見的水系鋰電池使用水或水與有機溶劑的混合物作為電解質(zhì)。有機溶劑、熔融鹽、固態(tài)電解質(zhì)則分別用于其他類型鋰離子電池或完全不同的電池體系。8.A*解析思路：鋰離子電池在充放電循環(huán)中，正負極材料會發(fā)生體積膨脹和收縮。特別是某些正極材料（如鈷酸鋰）在嵌鋰/脫鋰過程中體積變化較大，易導致顆粒粉化、結構破壞、活性物質(zhì)損失，從而引起容量衰減。電解液揮發(fā)、內(nèi)部短路是其他失效模式。9.C*解析思路：有機太陽能電池（OSC）通常由一個電子給體層和一個電子受體層組成。電子給體（通常是聚合物或小分子有機物）吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，電子給體處于電化學勢較高的一側(cè)。電子受體則用于捕獲電子，并將空穴傳輸?shù)搅硪粋?cè)，兩者共同構建光生載流子的分離機制。10.D*解析思路：碳捕獲與利用（CCU）是指將工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳（CO2）捕獲、分離、純化后，轉(zhuǎn)化為可銷售的化學品或燃料等有價值的產(chǎn)品。這與碳捕獲與封存（CCS，將CO2封存于地下）或簡單的碳捕獲（CC）不同。二、填空題1.新型電極*解析思路：提高鋰離子電池性能的關鍵在于材料創(chuàng)新，應用化學通過合成具有更高容量、更好結構穩(wěn)定性、更低電化學阻抗的新型正負極材料（如磷酸鐵鋰、三元材料、硅基負極等）來實現(xiàn)。2.光生伏特（或光電轉(zhuǎn)換）*解析思路：太陽能電池利用半導體的光生伏特效應，即光照半導體時，光子能量超過半導體的禁帶寬度，會激發(fā)電子躍遷到導帶，同時產(chǎn)生空穴，在半導體的P-N結或異質(zhì)結處形成內(nèi)建電場，將光能轉(zhuǎn)化為電能。3.電解質(zhì)*解析思路：燃料電池的基本結構包括催化活性高的陽極和陰極，以及允許質(zhì)子（或離子）通過的電解質(zhì)。電解質(zhì)是連接陽極和陰極，確保反應中產(chǎn)生的離子能夠順利傳輸?shù)年P鍵部件。4.雙電層（或贗電容）*解析思路：超級電容器的儲能機制主要是利用電雙層電容效應（EDLC，在電極/電解質(zhì)界面形成雙電層）或利用電極材料快速、可逆的表面氧化還原反應（贗電容）。其結構通常涉及高表面積電極材料，使得單位質(zhì)量或體積下能儲存大量電荷，從而實現(xiàn)高功率密度。5.表面（或結構）*解析思路：電催化劑的性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性）與其表面結構和電子性質(zhì)密切相關。通過調(diào)控催化劑的納米結構（如尺寸、形貌、相組成）、表面缺陷、晶面暴露等，可以優(yōu)化吸附物種的強度、降低反應能壘，從而提高催化活性。6.能量密度*解析思路：固態(tài)電池相較于液態(tài)電池，其固態(tài)電解質(zhì)通常具有更高的離子電導率（盡管仍面臨挑戰(zhàn)）和電子絕緣性，不易燃，安全性更高，工作溫度范圍更寬。此外，固態(tài)電解質(zhì)可能允許使用更高能量密度的正負極材料，從而潛在地提高電池的整體能量密度。7.電化學（或光照）*解析思路：電解水制氫是利用電能通過電化學反應將水（H2O）分解為氫氣（H2）和氧氣（O2）的過程。這是一種高效的能量轉(zhuǎn)化方式，也是實現(xiàn)“綠氫”的重要途徑。光照也可以用于光催化分解水，但電化學分解更為直接和可控。8.電子受體（或有機受體）*解析思路：有機光伏電池（OSC）通常由電子給體（Donor）和電子受體（Acceptor）兩層結構組成。電子給體負責吸收光并產(chǎn)生電子-空穴對，電子受體則負責在界面處捕獲電子，并將空穴傳輸?shù)搅硪粋?cè)，兩者協(xié)同作用實現(xiàn)光生載流子的有效分離和收集。9.一次（或純化學）*解析思路：堿錳電池是一種一次性（不可充電）的化學電源，其正極材料是二氧化錳（MnO2），負極材料通常是鋅粉，電解質(zhì)是堿性溶液。它直接通過化學反應提供電能，屬于一次電池。10.生物質(zhì)（或農(nóng)林廢棄物）*解析思路：生物質(zhì)能源是指來源于植物、動物、微生物等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的能源。應用化學在生物質(zhì)能源開發(fā)中扮演重要角色，例如通過化學轉(zhuǎn)化技術（如水解、發(fā)酵、氣化、裂解、合成）將農(nóng)林廢棄物、農(nóng)作物等生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化為生物燃料（如乙醇、生物柴油）或化學品。三、簡答題1.鋰離子在鋰離子電池中的遷移過程主要依賴于嵌入/脫出機制。在外加電壓驅(qū)動下，當電池充電時，鋰離子從正極材料晶格中脫出，通過電解質(zhì)遷移到負極材料中，并嵌入其晶格內(nèi)；當電池放電時，鋰離子則從負極材料晶格中脫出，通過電解質(zhì)反向遷移到正極材料中，并嵌入其晶格內(nèi)。這個過程通常伴隨著正負極材料體積的變化。2.固體氧化物燃料電池（SOFC）使用高溫固體電解質(zhì)（通常是氧化物陶瓷），工作溫度一般在600-1000°C，允許直接燃燒天然氣等燃料，無需昂貴的外部重整器，效率高但啟動時間長。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，工作溫度較低（約60-80°C），需要使用氫氣或富氫燃氣，啟動速度快，功率密度高，但受限于膜的水熱穩(wěn)定性和成本。兩者電解質(zhì)類型和工作溫度顯著不同。3.提高太陽能電池光吸收效率的應用化學方法包括：使用具有窄帶隙或帶隙可調(diào)的半導體材料，以吸收更寬光譜范圍的光；通過量子點等納米結構效應減少光子逃逸；利用光子晶體等結構設計增強光捕獲；對材料表面進行改性，增加光散射或選擇性發(fā)射特定波長的光，提高光吸收深度。4.電化學阻抗譜（EIS）是一種通過施加小振幅的正弦交流信號到電化學體系，并測量其產(chǎn)生的電壓響應，從而分析體系電化學動力學的技術。它本質(zhì)上是一種頻率響應分析技術。通過分析阻抗譜圖（通常以復數(shù)形式表示），可以獲取關于電化學體系各部分（如電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴散阻抗、電解質(zhì)電阻、雙電層電容等）的等效電路模型參數(shù)信息。在新能源器件表征中，EIS可用于評估電池的倍率性能、循環(huán)壽命、安全性，研究反應動力學，優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)體系。四、論述題1.應用化學在發(fā)展高效太陽能電池材料方面做出了巨大貢獻。通過合成具有特定帶隙、高光吸收系數(shù)、優(yōu)異載流子遷移率和復合抑制能力的半導體材料（如硅基、鈣鈦礦、有機半導體、量子點等），化學家極大地提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。材料形貌控制（如納米結構、薄膜厚度）和界面工程（如鈍化層、異質(zhì)結設計）也是化學的重要貢獻，有助于減少缺陷、提高穩(wěn)定性和優(yōu)化電荷傳輸。然而，挑戰(zhàn)依然嚴峻，包括提高鈣鈦礦等新興材料的長期穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性、解決有機光伏材料的效率和穩(wěn)定性瓶頸、降低材料成本、實現(xiàn)大規(guī)模低成本制備工藝等。2.鋰離子電池正極材料各有優(yōu)劣。鈷酸鋰（LiCoO2）能量密度高，循環(huán)壽命尚可，但成本高，鈷資源稀缺且存在毒性問題。磷酸鐵鋰（LiFePO4）成本低，安全性高，循環(huán)壽命長，環(huán)境友好，但理論能量密度相對較低，需通過結構改性（如摻雜、納米化）和表面處理來提升其電子/離子導電性，從而提高實際應用性能。三元材料（如NCM,NCA）結合了鈷酸鋰和高鎳材料的優(yōu)點，能量密度高，但成本較高，同樣面臨鈷含量和熱穩(wěn)定性的問題。未來發(fā)展方向包括開發(fā)高鎳無鈷或低鈷正極材料、高電壓正極材料、固態(tài)電解質(zhì)兼容性好的正極材料、以及通過先進合成方法制備結構更優(yōu)、性能更優(yōu)異的正極材料。3.設計高效的電催化劑