2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——燃料電池電極材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，負(fù)極主要發(fā)生的反應(yīng)是（）。A.氧氣在電極表面的還原B.氫氣在電極表面的氧化C.水的電解D.質(zhì)子在電解質(zhì)中的傳遞2.下列哪種材料通常被用作固體氧化物燃料電池（SOFC）的陰極材料？（）A.鉑碳（Pt/C）B.氧化鈰（CeO?）基鈣鈦礦C.鎳鈷合金（Ni-Fe）D.質(zhì)子交換膜（Nafion）3.燃料電池電極材料設(shè)計(jì)中，利用“合金化”方法的主要目的是（）。A.提高材料的機(jī)械強(qiáng)度B.降低材料的制備成本C.調(diào)控活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，從而提高催化活性或選擇性D.增大材料的比表面積4.對(duì)于燃料電池正極催化劑，以下哪項(xiàng)是其必須具備的關(guān)鍵性能？（）A.極低的電子導(dǎo)電性B.對(duì)目標(biāo)反應(yīng)（如ORR）具有高本征活性和低過電位C.在酸性或堿性介質(zhì)中化學(xué)穩(wěn)定性差D.高昂的制備成本5.水熱法通常適用于制備哪種類型的電極材料？（）A.貴金屬納米顆粒B.碳納米管陣列C.多孔氧化物或硫化物納米結(jié)構(gòu)D.金屬箔6.在燃料電池電極材料中，多孔結(jié)構(gòu)的主要作用是（）。A.降低材料的電子導(dǎo)電性B.阻礙反應(yīng)物傳輸?shù)交钚晕稽c(diǎn)C.提供大量的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)反應(yīng)物傳輸，并緩沖體積變化D.增加材料的離子導(dǎo)電性7.非貴金屬催化劑（如過渡金屬氧化物）相比貴金屬催化劑（如Pt），其主要優(yōu)勢在于（）。A.更高的本征催化活性B.更優(yōu)異的長期穩(wěn)定性C.更低的成本和豐富的資源D.更高的電子導(dǎo)電性8.“核殼結(jié)構(gòu)”電極材料設(shè)計(jì)通常是為了（）。A.同時(shí)提高電子和離子導(dǎo)電性B.使內(nèi)核材料具有良好的穩(wěn)定性，外殼材料具有良好的催化活性C.減少材料的比表面積D.制備具有單一晶相的材料9.限制燃料電池商業(yè)化的一個(gè)重要因素是（）。A.燃料電池效率低B.對(duì)氫氣的純度要求過高C.貴金屬催化劑的成本高昂且資源有限D(zhuǎn).電解質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)度不足10.DFT（密度泛函理論）計(jì)算在燃料電池電極材料研究中的應(yīng)用主要包括（）。A.表征材料的微觀結(jié)構(gòu)B.預(yù)測材料的制備工藝參數(shù)C.理解催化反應(yīng)的機(jī)理，揭示結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系D.直接確定材料的最終市場價(jià)格二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.燃料電池電極材料的設(shè)計(jì)通常需要綜合考慮材料的________性能、________性能、穩(wěn)定性以及成本等因素。2.氧還原反應(yīng)（ORR）是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）正極的關(guān)鍵反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物是________。3.為了提高貴金屬催化劑（如Pt）在燃料電池中的使用壽命，常采用________結(jié)構(gòu)或?qū)⑵湄?fù)載在具有高比表面積和穩(wěn)定性的載體上。4.碳基材料（如石墨烯、碳納米管）因其良好的__________和__________性，常被用作非貴金屬催化劑的載體。5.在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，電解質(zhì)材料的主要功能是允許__________在高溫下傳導(dǎo)。6.電極材料的__________是指其催化反應(yīng)的能力，通常用達(dá)到某一特定電流密度所需的__________來衡量。7.形貌調(diào)控，如制備納米顆粒、納米線或納米管，可以有效增加電極材料的__________，從而暴露更多的活性位點(diǎn)。8.某種電極材料在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性，但在堿性介質(zhì)中活性顯著下降，這與其材料的__________有關(guān)。9.為了解決貴金屬催化劑成本高的問題，研究者致力于開發(fā)高效、低成本的__________催化劑。10.電極材料的制備方法對(duì)其最終的__________結(jié)構(gòu)、__________性以及催化性能有著決定性的影響。三、簡答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡潔明了地回答下列問題）1.簡述燃料電池電極材料需要具備哪些主要的物理化學(xué)性能。2.比較一下質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）對(duì)電極材料的基本要求有何不同。3.簡要說明“摻雜”這種材料設(shè)計(jì)策略在改善電極材料性能方面的作用。4.描述一下燃料電池電極材料長期運(yùn)行過程中可能面臨的主要挑戰(zhàn)，并舉例說明。四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析并回答下列問題）1.詳細(xì)闡述如何通過調(diào)控電極材料的形貌（如尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)）來提高其催化活性，并說明其背后的機(jī)理。2.以氧還原反應(yīng)（ORR）為例，論述設(shè)計(jì)高效非貴金屬催化劑面臨的挑戰(zhàn)以及目前的主要研究思路和方向。3.結(jié)合當(dāng)前能源與環(huán)境問題，論述燃料電池電極材料設(shè)計(jì)在推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)能源發(fā)展中的重要性，并展望未來的發(fā)展趨勢。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.C7.C8.B9.C10.C二、填空題1.電化學(xué)，結(jié)構(gòu)2.水3.核殼4.電子，離子5.電子6.活性，過電位7.比表面積8.環(huán)境適應(yīng)性（或酸堿性）9.非貴金屬10.微觀，電化學(xué)三、簡答題1.燃料電池電極材料需要具備：高本征電催化活性（對(duì)目標(biāo)反應(yīng)）；良好的電子傳導(dǎo)性；良好的離子傳導(dǎo)性（尤其對(duì)于固體電解質(zhì)基電極）；優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗積碳性、抗腐蝕性）；合適的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)；與電解質(zhì)良好的界面相容性；低成本和豐富的資源。2.PEMFC電極材料需在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定，并高效催化H?氧化和O?還原，通常使用Pt或Pt基合金，對(duì)CO?耐受性差。SOFC電極材料需在高溫（>600°C）和堿性（或中性）氧化氣氛中穩(wěn)定，并高效催化O?還原和燃料氧化，常使用Ni-YSZ合金（陽極）和鈣鈦礦氧化物（陰極）。3.摻雜是指在材料晶格中引入雜質(zhì)原子，可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)電子態(tài)密度、改變晶格缺陷、影響表面吸附和反應(yīng)路徑，從而調(diào)控材料的物理化學(xué)性質(zhì)，如提高催化活性、改變導(dǎo)電性、增強(qiáng)穩(wěn)定性或降低成本。例如，在氧化物催化劑中摻雜過渡金屬可以引入新的活性位點(diǎn)或改變電子結(jié)構(gòu)以促進(jìn)反應(yīng)。4.主要挑戰(zhàn)包括：活性位點(diǎn)不足或活性不高（導(dǎo)致效率低、需要貴金屬）；長期運(yùn)行穩(wěn)定性差（如活性衰減、材料溶解、積碳、燒結(jié)、中毒）；成本高昂（尤其對(duì)于貴金屬催化劑）；材料制備工藝復(fù)雜、難以大規(guī)模、低成本生產(chǎn)；與其它電池部件（如電解質(zhì)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)）的兼容性問題。例如，Pt催化劑在PEMFC中易受CO?中毒和積碳影響而失活。四、論述題1.調(diào)控電極材料的形貌（如尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)）可以顯著影響其催化活性。提高比表面積（如通過形成納米顆粒、納米線、納米管或多孔結(jié)構(gòu)）可以暴露更多的活性位點(diǎn)，增加反應(yīng)物接觸機(jī)會(huì)，從而提高催化活性。減小活性位點(diǎn)尺寸（如納米化）可以產(chǎn)生更多的邊緣效應(yīng)或高對(duì)稱性位點(diǎn)，這些位點(diǎn)通常具有更高的本征反應(yīng)速率。調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)（如介孔、大孔）可以優(yōu)化反應(yīng)物的傳輸路徑，確保反應(yīng)物能夠高效到達(dá)活性位點(diǎn)，并促進(jìn)反應(yīng)產(chǎn)物的脫附，同時(shí)也能緩沖材料在催化循環(huán)中的體積變化，提高穩(wěn)定性。其背后的機(jī)理涉及增加有效活性界面、縮短傳質(zhì)路徑、優(yōu)化反應(yīng)物吸附/脫附能壘以及改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。2.設(shè)計(jì)高效非貴金屬催化劑面臨的主要挑戰(zhàn)在于：非貴金屬的本身就具有較高的電勢，其本征催化活性通常遠(yuǎn)低于貴金屬；非貴金屬的電子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)其活性位點(diǎn)和反應(yīng)機(jī)理的理解不如貴金屬深入，難以精確調(diào)控；非貴金屬催化劑的穩(wěn)定性（特別是抗CO?中毒、抗硫中毒、抗積碳和抗燒結(jié)能力）通常較差；制備高效的非貴金屬催化劑往往需要復(fù)雜的形貌控制和組分設(shè)計(jì)（如合金化、摻雜、表面修飾、缺陷工程等），工藝難度大，成本控制難。目前的主要研究思路包括：利用理論計(jì)算（如DFT）指導(dǎo)，深入理解構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新的活性位點(diǎn)；通過合金化或復(fù)合，利用協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)活性；利用高比表面積和特殊形貌（如納米結(jié)構(gòu)、單原子催化劑）暴露高活性位點(diǎn)；通過表面修飾或缺陷工程調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，提高吸附能力和穩(wěn)定性；開發(fā)低成本、環(huán)境友好的制備方法。3.燃料電池電極材料設(shè)計(jì)在推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)能源發(fā)展中至關(guān)重要。高效、穩(wěn)定、低成本的電極材料是燃料電池實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率、長壽命和低成本的關(guān)鍵，直接關(guān)系到燃料電池發(fā)電的成本競爭力。材料創(chuàng)新可以緩解對(duì)貴金屬的依賴，降低制造成本，提高電池性能和耐久性，從而加速燃料電池在交通運(yùn)輸、固定式發(fā)電、分布式供能等領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。推動(dòng)電解水制氫與燃料