2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——電化學(xué)在電解水制氫中的應(yīng)用方法考試時間：______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(xiàng)字母填在題后括號內(nèi)）1.在電解水制氫過程中，降低析氫反應(yīng)（HER）過電位最直接有效的方法是（）。A.提高電解液pH值B.降低電流密度C.使用高效的電催化劑D.提高電解槽溫度2.根據(jù)法拉第電解定律，在相同通電條件下，通過電解槽產(chǎn)生的氫氣和氧氣量取決于（）。A.電解槽的面積B.電解液的種類C.電極的材料D.通過的電量3.電解水制氫的理論分解電壓是指（）。A.分解1摩爾水所需的最低電壓B.實(shí)際電解時所需的最低電壓C.電解槽陽極與陰極之間的電位差D.電解過程中克服內(nèi)阻所需的電壓4.在質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽中，隔膜的主要作用是（）。A.傳導(dǎo)電子B.傳導(dǎo)質(zhì)子（H?）C.阻止氣體混合D.提供機(jī)械支撐5.下列哪種材料通常被用作堿性電解槽（AEC）的陰極催化劑？（）A.鉑（Pt）B.碳納米管C.氧化鎳（NiO）D.氧化銥（IrO?）6.電極極化現(xiàn)象是指（）。A.電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象B.電解電流密度增大的現(xiàn)象C.電解液電阻增大的現(xiàn)象D.電解槽發(fā)熱的現(xiàn)象7.在電解水過程中，析氧反應(yīng)（OER）通常比析氫反應(yīng)（HER）具有更高的過電位，其主要原因是（）。A.OER涉及更復(fù)雜的反應(yīng)步驟B.OER的電子轉(zhuǎn)移數(shù)更多C.氧氣在電極表面的吸附強(qiáng)度更大D.以上都是8.固體氧化物電解池（SOEC）通常在較高溫度下工作，其主要優(yōu)勢在于（）。A.無需催化劑B.能直接利用固體燃料C.具有更高的能量效率D.對電解液要求更低9.評價一種電解水催化劑性能時，以下哪個指標(biāo)不是主要考慮因素？（）A.極低的過電位B.高的電流密度C.長的循環(huán)使用壽命D.低廉的成本10.電解水制氫過程的能量效率定義為（）。A.輸入電能與產(chǎn)生氫氣質(zhì)量之比B.輸入電能與產(chǎn)生氫氣摩爾數(shù)乘以法拉第常數(shù)之比C.產(chǎn)生氫氣的能量與輸入電能之比D.輸入電能與產(chǎn)生氫氣標(biāo)準(zhǔn)生成焓之比二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后橫線上）1.電解池中，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為________極，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為________極。2.描述電極反應(yīng)速率與過電位之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程是________方程。3.影響電解水制氫過電位的主要因素包括電解液pH值、電流密度、溫度以及電極材料的________和________。4.在堿性電解槽中，常用的陽極材料是________，常用的陰極材料是________。5.電解水制氫的能量效率可以通過實(shí)際工作電壓與理論分解電壓的比值，再乘以________來估算。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述過電位對電解水制氫過程的影響。2.與堿性電解槽相比，質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽具有哪些主要優(yōu)點(diǎn)？3.解釋什么是析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER），并簡述它們在電解水過程中的作用。4.提出至少三種提高電解水制氫效率的途徑。四、計(jì)算題（共20分）1.某電解水裝置在2.5V的電壓下工作，通過0.5法拉第的電量。計(jì)算理論上產(chǎn)生的氫氣的摩爾數(shù)，并指出氫氣是在正極還是負(fù)極產(chǎn)生的。（10分）2.已知在25°C下，電解純水（pH=7）的理論分解電壓約為1.23V。如果在實(shí)際電解過程中，陽極和陰極的過電位分別為0.3V和0.2V，計(jì)算該電解槽的實(shí)際工作電壓。（10分）五、論述題（10分）結(jié)合電化學(xué)原理，論述提高電解水制氫用陰極催化劑性能的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在機(jī)理。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.B5.C6.A7.D8.C9.D10.B二、填空題1.正，負(fù)2.Tafel3.活性，穩(wěn)定性4.鉑（或釕氧化物），二氧化銥（或鎳氧化物）5.法拉第常數(shù)三、簡答題1.過電位是指電極實(shí)際電位與其平衡電位之差。在電解水制氫中，過電位的存在意味著需要額外的電壓才能驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生。過電位越高，意味著驅(qū)動相同電流密度所需的實(shí)際電壓越大，從而降低了電解過程的能量效率，增加了運(yùn)行成本。2.PEM電解槽的主要優(yōu)點(diǎn)包括：①水電解效率高；②動態(tài)響應(yīng)快，可快速啟動和停機(jī)；③氫氣純度高，無需復(fù)雜的后處理；④結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??；⑤適用于分布式發(fā)電制氫。3.析氫反應(yīng)（HER）是指在電解水過程中，在負(fù)極（陰極）發(fā)生，水分子或氫氧根離子得到電子生成氫氣的電化學(xué)反應(yīng)（2H?+2e?→H?或2H?O+2e?→H?+2OH?）。析氧反應(yīng)（OER）是指在電解水過程中，在正極（陽極）發(fā)生，水分子失去電子生成氧氣和氫離子的電化學(xué)反應(yīng)（2H?O→O?+4H?+4e?或4OH?→O?+2H?O+4e?）。在電解水制氫中，HER和OER是構(gòu)成整體水分解反應(yīng)的兩個半電池反應(yīng)。4.提高電解水制氫效率的途徑包括：①使用活性更高的電催化劑，以降低析氫和析氧反應(yīng)的過電位；②優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)，如減小電極距離、增加電極表面積；③選擇合適的操作條件，如優(yōu)化電流密度、溫度和電解液pH值；④開發(fā)新型高效、低成本的全固態(tài)電解槽技術(shù)。四、計(jì)算題1.解：*法拉第常數(shù)F=96485C/mol*電量Q=0.5F*根據(jù)法拉第定律，轉(zhuǎn)移0.5法拉第的電量，產(chǎn)生的氫氣摩爾數(shù)n(H?)=Q/(2F)=0.5F/(2*96485C/mol)≈0.00259mol*電解水反應(yīng)為：2H?O→2H?+O?。反應(yīng)中轉(zhuǎn)移2摩爾電子產(chǎn)生2摩爾氫氣。*氫氣在負(fù)極（陰極）產(chǎn)生。答案：理論上產(chǎn)生約0.00259mol氫氣，氫氣在負(fù)極產(chǎn)生。2.解：*理論分解電壓E?=1.23V*陽極過電位η?=0.3V*陰極過電位η?=0.2V*實(shí)際工作電壓E=E?+η?+η?=1.23V+0.3V+0.2V=1.73V答案：該電解槽的實(shí)際工作電壓為1.73V。五、論述題提高電解水制氫用陰極催化劑性能的關(guān)鍵因素及其內(nèi)在機(jī)理如下：關(guān)鍵因素：1.高本征活性：催化劑材料本身應(yīng)具有較低的析氧反應(yīng)（OER）過電位。這通常意味著催化劑對OER反應(yīng)路徑中的關(guān)鍵中間體（如*OOH,*O等吸附物種）具有強(qiáng)的吸附能，但同時又不能過強(qiáng)以至于阻礙后續(xù)反應(yīng)步驟或?qū)е赂狈磻?yīng)?；钚耘c催化劑的電子結(jié)構(gòu)、表面態(tài)、晶面結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。2.高催化穩(wěn)定性：催化劑在長期運(yùn)行中需要保持其結(jié)構(gòu)和組成的穩(wěn)定性，抵抗電解過程中復(fù)雜化學(xué)環(huán)境（如高pH、氧化性/還原性介質(zhì)、電位循環(huán)、可能存在的氣泡沖擊）的影響，避免活性組分流失、表面沉積物覆蓋或結(jié)構(gòu)破壞。穩(wěn)定性涉及化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、表面化學(xué)穩(wěn)定性等。3.高本征選擇性：催化劑應(yīng)能優(yōu)先促進(jìn)目標(biāo)反應(yīng)（OER），抑制副反應(yīng)（如析氫反應(yīng)HER，尤其是在堿性或PEM條件下）。這通常要求催化劑對OER和HER中間體的吸附能差異較大，或者催化反應(yīng)的路徑不同。4.合適的比表面積和形貌：催化劑需要具有高比表面積以提供充足的活性位點(diǎn)，同時特定的形貌（如納米顆粒、納米線、單原子等）可以暴露更多高活性的晶面，并可能改善傳質(zhì)過程。內(nèi)在機(jī)理：催化劑通過改變電極/電解液界面的反應(yīng)能壘來提高性能。對于OER，催化劑通過：*吸附調(diào)控：改變OER中間體的吸附強(qiáng)度，使其既足以驅(qū)動反應(yīng)進(jìn)行（活性），又不會過強(qiáng)而造成動力學(xué)瓶頸（選擇性）。*電子結(jié)構(gòu)修飾：通過改變催化劑的d帶中心位置等，與吸附物種的電子相互作用，從而影響反應(yīng)能壘。*表面缺陷工程：缺陷位通