2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——金屬氧化物材料的電化學(xué)性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.在電化學(xué)體系正極發(fā)生還原反應(yīng)時，電子來自于（）。A.電極B.電解質(zhì)溶液C.外部電源D.產(chǎn)物2.根據(jù)法拉第定律，通過電極的電量與（）成正比。A.電流強(qiáng)度B.電壓C.反應(yīng)物質(zhì)的量D.電極面積3.對于可逆電極過程，電極電勢與電極反應(yīng)的（）有關(guān)。A.溫度B.壓力C.電極材料D.以上都是4.在電化學(xué)極化曲線中，過電位是指（）。A.極限電流密度對應(yīng)的電位差B.電極實際電位與平衡電位之差C.電極電位隨時間的變化率D.電解質(zhì)溶液的電阻引起的電位降5.循環(huán)伏安法（CV）通常用于研究（）。A.電極的穩(wěn)態(tài)電流B.電極的交流阻抗C.電極反應(yīng)的可逆性及動力學(xué)參數(shù)D.電解液的導(dǎo)電性6.電化學(xué)阻抗譜（EIS）主要用來研究（）。A.電極的穩(wěn)態(tài)電流隨電位的變化B.電極/電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移電阻C.電極材料的比表面積D.電解質(zhì)溶液的擴(kuò)散系數(shù)7.對于金屬氧化物半導(dǎo)體電極，其導(dǎo)電性主要依賴于（）。A.晶格離子遷移B.電子在能帶中的躍遷C.液體電解質(zhì)中的離子遷移D.表面吸附8.Tafel斜率通常用來估算電極反應(yīng)的（）。A.過電位B.交換電流密度C.活化能D.電極電位9.氧析出反應(yīng)（OER）是許多水電解裝置中的關(guān)鍵陽極過程，其研究對于（）具有重要意義。A.金屬腐蝕防護(hù)B.氣體傳感器C.氫能源生產(chǎn)D.鋰離子電池10.在研究金屬氧化物電極電化學(xué)性能時，改變掃描速率主要影響（）。A.極限電流密度B.半波電位C.電荷轉(zhuǎn)移電阻D.電極的表面狀態(tài)二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線上）1.電化學(xué)電池是將______能轉(zhuǎn)化為______能的裝置。2.能斯特方程描述了可逆電極電勢與______及其反應(yīng)物/產(chǎn)物活度（或濃度）之間的關(guān)系。3.電極極化分為______極化和______極化。4.循環(huán)伏安法中，掃描電位方向從正到負(fù)再回到正的過程稱為______。5.電化學(xué)阻抗譜中，半圓弧通常對應(yīng)于______過程的電阻。6.氧化鋅（ZnO）是一種典型的______型半導(dǎo)體金屬氧化物。7.許多金屬氧化物電極材料具有優(yōu)異的______性，被廣泛應(yīng)用于電催化領(lǐng)域。8.在電化學(xué)阻抗譜分析中，Warburg項通常與______過程有關(guān)。9.研究金屬氧化物在酸性介質(zhì)中的電化學(xué)性能時，需要考慮其是否會發(fā)生______。10.提高金屬氧化物電極電化學(xué)性能的常用方法包括改變其______、______和引入缺陷等。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述過電位的組成及其物理意義。2.簡述循環(huán)伏安法的基本原理及其主要應(yīng)用。3.解釋金屬氧化物電極在電化學(xué)過程中可能涉及的主要電荷轉(zhuǎn)移步驟。4.簡述電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析中，構(gòu)建等效電路的基本原則。四、計算題（共15分）某金屬氧化物電極在0.1mol/LKOH溶液中進(jìn)行電化學(xué)測試，得到線性掃描伏安（LSV）曲線。當(dāng)掃描電位從-0.2V（vs.Ag/AgCl）掃描到+0.4V時，在-0.1V處出現(xiàn)一個氧化峰，峰電流為15mA。在+0.2V處出現(xiàn)一個還原峰，峰電流為10mA。假設(shè)該氧化還原反應(yīng)為可逆的，且交換電流密度ij已知。請根據(jù)以上信息回答：（1）判斷該電極在-0.1V和+0.2V附近發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)類型（氧化或還原）。（5分）（2）估算該電極反應(yīng)的交換電流密度ij（假設(shè)峰電流與交換電流密度成正比，且峰形對稱）。（5分）（3）簡述如何通過改變掃描速率來驗證該電極反應(yīng)的可逆性。（5分）五、論述題（共30分）以二氧化鈦（TiO?）為例，討論其在電化學(xué)儲能（如太陽能電池、超級電容器）或電催化（如氧還原反應(yīng)）應(yīng)用中，其晶體結(jié)構(gòu)（銳鈦礦相、金紅石相等）、表面形貌（納米顆粒、納米管、薄膜等）以及缺陷對其電化學(xué)性能（如導(dǎo)電性、電化學(xué)活性、穩(wěn)定性等）的影響。請結(jié)合相關(guān)的電化學(xué)原理和實驗現(xiàn)象進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.B5.C6.B7.B8.C9.D10.A二、填空題1.化學(xué)；電2.平衡電位3.動態(tài)；靜態(tài)（或可逆；不可逆）4.循環(huán)伏安掃描5.電荷轉(zhuǎn)移6.半導(dǎo)體7.電催化8.擴(kuò)散9.穩(wěn)定性（或腐蝕）10.結(jié)構(gòu)；組成三、簡答題1.過電位是指電極實際電位與其平衡電位之差。它由活化過電位（克服反應(yīng)活化能壘所需的電位差）和濃度過電位（電極反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度變化引起的電位差）組成。過電位的存在使得非可逆電極過程發(fā)生，并影響電極反應(yīng)速率。2.循環(huán)伏安法是在恒定電流模式下，以一定的掃描速率掃描電極電位，同時記錄電極電位與通過電極的凈電量的關(guān)系曲線。通過分析CV曲線的形狀（如氧化峰和還原峰的存在、對稱性、峰電流等），可以判斷電極反應(yīng)的可逆性、反應(yīng)機(jī)理、電子轉(zhuǎn)移數(shù)、吸附現(xiàn)象以及電極材料的電化學(xué)活性等。3.金屬氧化物電極的電荷轉(zhuǎn)移步驟通常涉及：①電解質(zhì)溶液中的離子（如OH?,H?,Li?等）在電極表面的吸附/脫附；②離子在金屬氧化物晶格內(nèi)的遷移（晶格氧的氧化還原）；③電子在金屬氧化物導(dǎo)帶或能帶間的轉(zhuǎn)移；④可能涉及表面中間體的生成與消耗等過程。具體步驟取決于電極材料、電解質(zhì)體系及所研究的電化學(xué)反應(yīng)。4.構(gòu)建電化學(xué)阻抗譜的等效電路應(yīng)遵循以下原則：①電路應(yīng)能合理地模擬電極/電解質(zhì)界面和電解質(zhì)內(nèi)部的電化學(xué)過程及物理過程；②電路元件的選擇應(yīng)與所研究的頻率范圍和阻抗特征相對應(yīng)（如RC表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，RQ表示溶液電阻與擴(kuò)散阻抗的串聯(lián)，Warburg項表示擴(kuò)散過程）；③電路參數(shù)（電阻、電容、Warburg系數(shù)等）應(yīng)具有明確的物理意義，能夠與具體的電化學(xué)過程相關(guān)聯(lián)；④在擬合實驗數(shù)據(jù)時，應(yīng)在保證物理合理性的前提下，尋求最簡單的等效電路模型，避免過度擬合。四、計算題（1）在LSV曲線中，向正電位掃描時出現(xiàn)的峰對應(yīng)氧化反應(yīng)，向負(fù)電位掃描時出現(xiàn)的峰對應(yīng)還原反應(yīng)。因此，-0.1V處的氧化峰對應(yīng)氧化反應(yīng)，+0.2V處的還原峰對應(yīng)還原反應(yīng)。（5分）（2）對于可逆電極反應(yīng)，在理想條件下，峰電流ip與交換電流密度ij成正比（ip=F*n*ij，其中F為法拉第常數(shù)，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)）。峰形越對稱，說明電極過程越可逆，其交換電流密度越大。因此，可以近似認(rèn)為-0.1V氧化峰對應(yīng)的電流（15mA）和+0.2V還原峰對應(yīng)的電流（10mA）分別代表了正向和反向的交換電流密度。假設(shè)電子轉(zhuǎn)移數(shù)n為1，則正向交換電流密度約為15mA，反向交換電流密度約為10mA。（5分）（3）驗證電極反應(yīng)可逆性的方法之一是通過改變掃描速率（ν）。對于可逆電極過程，峰電流ip與掃描速率ν的平方根（√ν）成正比（ip=k*n*F*√ν）。因此，若在較寬的掃描速率范圍內(nèi)繪制LSV曲線，并觀察到峰電流隨√ν線性增加（或線性關(guān)系良好），則可以證明該電極反應(yīng)是可逆的。此外，隨著掃描速率增加，峰電位會向更正（氧化峰）或更負(fù)（還原峰）的方向移動，且峰形可能變得更加對稱，這也是可逆性的標(biāo)志。（5分）五、論述題二氧化鈦（TiO?）是一種重要的n型半導(dǎo)體金屬氧化物，其電化學(xué)性能受多種因素影響。結(jié)構(gòu)方面，TiO?存在多種晶型，如銳鈦礦相（Anatase）和金紅石相（Rutile）。銳鈦礦相具有更高的比表面積和更小的晶格常數(shù)，有利于電解質(zhì)離子（如OH?）的吸附和擴(kuò)散，通常表現(xiàn)出更高的比電容和更快的電荷傳輸速率，但在光電轉(zhuǎn)換中可能因缺陷態(tài)較少而量子效率相對較低。金紅石相結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，具有更強(qiáng)的氧化還原能力，缺陷態(tài)較多，有利于光生電子-空穴對的分離，因此在光催化和光電化學(xué)水分解中表現(xiàn)出更優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，同質(zhì)多相結(jié)構(gòu)（如銳鈦礦/金紅石混合相）也可能展現(xiàn)出結(jié)合了兩者優(yōu)點的電化學(xué)性能。形貌方面，納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、納米管、納米片）通常具有極高的比表面積，提供了更多的活性位點，有利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而顯著提高電極的電容、電催化活性或光電響應(yīng)速度。例如，TiO?納米管陣列具有優(yōu)異的離子傳輸通道，有利于電解質(zhì)嵌入/脫出，適用于超級電容器電極材料。薄膜狀結(jié)構(gòu)則易于制備大面積器件，適用于光電探測器或電解池電極。缺陷方面，TiO?的缺陷（如氧空位、鈦間隙原子、表面懸掛鍵等）對其電化學(xué)性能有顯著影響。適量的缺陷可以增加TiO?的能帶寬度或引入中間能級，有助于提高光吸收系數(shù)和電荷分離效率，從而增強(qiáng)光催化或光電化學(xué)性能。然而，過多的缺陷也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或引入更多的電子陷阱，阻礙電荷傳輸。通過摻雜（如N,S,C,貴金屬等）或離子注入等