2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——化學(xué)催化機(jī)理研究與應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪個(gè)化學(xué)鍵的形成或斷裂通常與多相催化反應(yīng)活性位點(diǎn)上的吸附質(zhì)-載體相互作用直接相關(guān)？A.C-C鍵B.O-H鍵C.M-O鍵(M代表金屬)D.C-H鍵2.在研究均相催化反應(yīng)時(shí)，通常使用哪些物質(zhì)來(lái)表征催化劑的活性？A.催化劑的比表面積和孔徑分布B.催化劑的晶相結(jié)構(gòu)和缺陷C.催化劑的化學(xué)計(jì)量比和電子結(jié)構(gòu)D.催化劑的酸堿性和氧化還原性3.下列哪種原位表征技術(shù)最適合用于研究反應(yīng)過(guò)程中催化劑表面化學(xué)態(tài)的變化？A.X射線(xiàn)衍射（XRD）B.紅外光譜（IR）C.透射電子顯微鏡（TEM）D.拉曼光譜（Raman）4.下列哪個(gè)概念描述了催化劑活性位點(diǎn)能夠與反應(yīng)物發(fā)生穩(wěn)定相互作用并促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生的最低能量狀態(tài)？A.過(guò)渡態(tài)理論B.活性位點(diǎn)理論C.效應(yīng)理論D.酸堿催化理論5.在費(fèi)托合成反應(yīng)中，CO和H2在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為烷烴和醇類(lèi)。該反應(yīng)屬于哪種類(lèi)型的轉(zhuǎn)化過(guò)程？A.熱裂解B.加氫裂化C.氧化脫氫D.合成氣轉(zhuǎn)化6.下列哪種技術(shù)常用于研究固體催化劑的表面原子排列和局部化學(xué)環(huán)境？A.X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）B.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）C.順磁共振波譜（EPR）D.核磁共振波譜（NMR）7.在工業(yè)上，用于合成氨（Haber-Bosch法）的催化劑通常是什么？A.鉑-銠合金B(yǎng).鎳基合金C.鐵基催化劑D.鈦酸鋇8.下列哪種效應(yīng)描述了催化劑的表面積或活性位點(diǎn)數(shù)量對(duì)其催化活性的影響？A.酸堿催化效應(yīng)B.效應(yīng)理論C.表面積效應(yīng)D.中間體效應(yīng)9.在綠色化學(xué)的視角下，理想的化學(xué)催化過(guò)程應(yīng)具備哪些特點(diǎn)？（多選，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）A.高選擇性B.高轉(zhuǎn)化率C.原子經(jīng)濟(jì)性高D.催化劑可回收利用E.操作條件溫和10.DFT（密度泛函理論）在化學(xué)催化研究中主要應(yīng)用于哪些方面？（多選，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）A.計(jì)算反應(yīng)能壘B.模擬催化劑表面結(jié)構(gòu)C.預(yù)測(cè)反應(yīng)機(jī)理D.表征催化劑的電子性質(zhì)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線(xiàn)上）1.催化反應(yīng)的速率通常比非催化反應(yīng)的速率快得多，這是由于催化劑能夠降低反應(yīng)的________。2.催化劑之所以能夠加速反應(yīng)，是因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)不同的反應(yīng)路徑，該路徑具有更低的________。3.多相催化中，催化劑的活性位點(diǎn)通常是載體表面的________或________。4.均相催化反應(yīng)通常在________相中進(jìn)行，催化劑本身就是________。5.原位表征技術(shù)允許我們?cè)赺_______條件下研究催化劑和反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)變化。6.催化劑的________和________是決定其催化性能的關(guān)鍵因素。7.將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品或燃料是化學(xué)催化在________領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向之一。8.評(píng)價(jià)一個(gè)催化反應(yīng)過(guò)程時(shí)，除了活性，還需要考慮其________和________。9.分子篩催化劑因其具有規(guī)則的________結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的孔道尺寸，在多相催化中表現(xiàn)出獨(dú)特的擇形催化性能。10.基于分子軌道理論，催化劑與吸附質(zhì)之間的相互作用通常可以通過(guò)比較它們的________或________來(lái)理解。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述費(fèi)托合成反應(yīng)的基本原理及其在資源利用中的意義。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明原位紅外光譜技術(shù)如何用于研究催化劑表面的吸附物種。3.簡(jiǎn)述固體酸催化劑在石油煉制過(guò)程中主要發(fā)揮的作用。4.簡(jiǎn)述綠色化學(xué)理念對(duì)化學(xué)催化發(fā)展提出的要求。四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述M-Obond理論，并說(shuō)明該理論如何解釋金屬氧化物基催化劑的酸性和催化活性。2.以CO氧化為CO2為例，設(shè)計(jì)一個(gè)可能的催化反應(yīng)機(jī)理，并說(shuō)明在該機(jī)理中催化劑可能扮演的角色以及需要滿(mǎn)足的條件。3.結(jié)合當(dāng)前能源和環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)，論述發(fā)展高效、高選擇性、環(huán)境友好的催化技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的的重要性，并舉例說(shuō)明。---試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.C2.C3.B4.A5.D6.A7.C8.C9.A,B,C,D,E10.A,B,C,D二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線(xiàn)上）1.活化能2.活化能3.空位，缺陷4.液體，催化劑分子5.反應(yīng)（或反應(yīng)過(guò)程）6.結(jié)構(gòu)，組成7.碳中和8.選擇性，原子經(jīng)濟(jì)性9.模板（或孔道）10.最高占據(jù)分子軌道（HOMO），最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述費(fèi)托合成反應(yīng)的基本原理及其在資源利用中的意義。解析思路：費(fèi)托合成是利用合成氣（CO+H2）在催化劑作用下合成烷烴、烯烴、醇類(lèi)等有機(jī)物的過(guò)程。其基本原理是CO和H2在催化劑表面發(fā)生加氫反應(yīng)，反應(yīng)路徑可能涉及CO的解離吸附、與H2的加氫、以及產(chǎn)物脫附等步驟。意義在于可以將煤炭、天然氣等含碳資源轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品，有助于能源多樣化，減少對(duì)石油的依賴(lài)。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明原位紅外光譜技術(shù)如何用于研究催化劑表面的吸附物種。解析思路：原位紅外光譜技術(shù)通過(guò)將紅外光源和探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)催化劑表面，在反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)收集紅外光譜。當(dāng)反應(yīng)物分子吸附在催化劑表面時(shí)，其振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生與在氣相或體相中不同的偏移（紅移或藍(lán)移）。通過(guò)比較吸附態(tài)和自由態(tài)分子的紅外吸收峰位置、強(qiáng)度和形狀的變化，可以識(shí)別吸附物種的種類(lèi)、化學(xué)鍵合狀態(tài)、覆蓋度以及反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化。3.簡(jiǎn)述固體酸催化劑在石油煉制過(guò)程中主要發(fā)揮的作用。解析思路：固體酸催化劑在石油煉制中應(yīng)用廣泛，主要作用包括：①催化重整：將低辛烷值的直餾汽油轉(zhuǎn)化為高辛烷值的芳烴和異構(gòu)烷烴。②催化裂化：將重質(zhì)原油裂解成輕質(zhì)汽油和柴油等價(jià)值更高的產(chǎn)品。③醚化、異構(gòu)化、烷基化等過(guò)程，以改善燃料品質(zhì)或生產(chǎn)特定化學(xué)品。其優(yōu)點(diǎn)是易于分離、可重復(fù)使用、操作條件相對(duì)溫和。4.簡(jiǎn)述綠色化學(xué)理念對(duì)化學(xué)催化發(fā)展提出的要求。解析思路：綠色化學(xué)理念要求催化過(guò)程應(yīng)最大限度地提高原子經(jīng)濟(jì)性（減少副產(chǎn)物生成），使用可再生原料，降低能耗和污染，開(kāi)發(fā)可生物降解的催化劑，確保催化劑的安全性和可回收利用。因此，發(fā)展高效、高選擇性、環(huán)境友好、可持續(xù)的催化技術(shù)和材料是綠色化學(xué)對(duì)化學(xué)催化的核心要求。四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)闡述M-Obond理論，并說(shuō)明該理論如何解釋金屬氧化物基催化劑的酸性和催化活性。解析思路：M-Obond理論認(rèn)為，金屬離子（M）與氧離子（O）之間的化學(xué)鍵是決定金屬氧化物催化劑性能的關(guān)鍵。該鍵既有共價(jià)性又有離子性。當(dāng)M的價(jià)電子較多或電負(fù)性較小時(shí)，M-O鍵偏向離子鍵，此時(shí)O原子帶有部分負(fù)電荷，M原子帶有部分正電荷。這種電荷不均使得O原子對(duì)吸附質(zhì)具有強(qiáng)的路易斯酸性，能夠奪取吸附質(zhì)上的質(zhì)子或電子對(duì)，從而活化反應(yīng)物。當(dāng)M的價(jià)電子較少或電負(fù)性較大時(shí)，M-O鍵偏向共價(jià)鍵，此時(shí)M原子對(duì)吸附質(zhì)具有親電性，可以提供空軌道接受吸附質(zhì)提供的電子對(duì)。這種相互作用有利于吸附質(zhì)的解離或發(fā)生電子轉(zhuǎn)移步驟。因此，M-Obond的共價(jià)/離子平衡狀態(tài)以及M、O原子的電子結(jié)構(gòu)決定了催化劑的酸性和對(duì)特定反應(yīng)的催化活性。例如，對(duì)于加氫反應(yīng)，需要較強(qiáng)的路易斯酸性位點(diǎn)和合適的電子結(jié)構(gòu)來(lái)活化H2；對(duì)于氧化反應(yīng)，需要具有親電性的M位點(diǎn)和O位點(diǎn)來(lái)活化氧化劑或反應(yīng)物。2.以CO氧化為CO2為例，設(shè)計(jì)一個(gè)可能的催化反應(yīng)機(jī)理，并說(shuō)明在該機(jī)理中催化劑可能扮演的角色以及需要滿(mǎn)足的條件。解析思路：一個(gè)典型的CO氧化機(jī)理可能包括以下步驟：a.CO在催化劑表面吸附：CO分子通過(guò)其羰基氧原子與催化劑表面活性位點(diǎn)（如金屬原子或氧空位）發(fā)生化學(xué)吸附。b.活化CO：吸附的CO可能發(fā)生解離或與表面物種（如O原子）發(fā)生反應(yīng)，形成吸附態(tài)的中間體，如吸附態(tài)的羰基（CO*)或吸附態(tài)的碳氧單鍵物種（CO2*）。c.氧氣吸附與活化：O2分子在催化劑表面吸附，可能發(fā)生解離形成兩個(gè)吸附態(tài)的氧原子（O*）。d.氧化步驟：吸附的O原子與吸附的CO物種反應(yīng)，生成吸附態(tài)的CO2（CO2*）。e.CO2脫附：吸附的CO2從催化劑表面脫附，釋放出來(lái)，留下活性位點(diǎn)，使反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行。催化劑可能扮演的角色是提供活性位點(diǎn)（如金屬表面原子或氧空位）、促進(jìn)吸附質(zhì)吸附和活化、引導(dǎo)反應(yīng)按特定路徑進(jìn)行（如提供合適的反應(yīng)能壘）。所需條件包括：①具有較高電子密度的活性位點(diǎn)，能有效地與CO和O2相互作用；②具有合適的表面酸性（路易斯或布朗斯特酸位點(diǎn)），能活化CO和O2；③反應(yīng)路徑的總能壘較低；④催化劑表面清潔，無(wú)覆蓋毒化。3.結(jié)合當(dāng)前能源和環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)，論述發(fā)展高效、高選擇性、環(huán)境友好的催化技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的的重要性，并舉例說(shuō)明。解析思路：當(dāng)前能源和環(huán)境面臨的主要挑戰(zhàn)包括化石燃料的枯竭與燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染（CO2排放、空氣污染）、能源轉(zhuǎn)型需求（發(fā)展可再生能源）、資源短缺與浪費(fèi)等。發(fā)展高效、高選擇性、環(huán)境友好的催化技術(shù)對(duì)于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。高效性意味著反應(yīng)速率快、轉(zhuǎn)化率高，能降低能耗和設(shè)備投資；高選擇性意味著能將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物和污染物的生成，提高原子經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境友好意味著使用可再生原料、可回收催化劑、操作條件溫和、過(guò)程本身不產(chǎn)生或少產(chǎn)生污染。這些特性有助于提高能源利用效率，減少環(huán)境污染，推動(dòng)清潔能源