2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子設(shè)計與合成在環(huán)境科學(xué)工程中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項前的字母填在答題紙上。）1.分子設(shè)計中的“理性設(shè)計”主要依賴于以下哪種知識？A.經(jīng)驗積累和試錯法B.計算化學(xué)模擬預(yù)測C.對結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深刻理解D.隨機合成與篩選2.下列哪種合成方法通常被認(rèn)為更符合綠色化學(xué)原則？A.使用大量有毒溶劑的多步合成B.原子經(jīng)濟性極高的單步環(huán)化反應(yīng)C.需要高壓高溫條件的復(fù)雜反應(yīng)D.產(chǎn)生大量難以處理的副產(chǎn)物的催化反應(yīng)3.在設(shè)計用于水體中重金屬離子（如Pb2?,Cd2?）吸附的材料時，通常優(yōu)先考慮材料的哪種性質(zhì)？A.高溫穩(wěn)定性B.大比表面積和合適的孔徑C.良好的導(dǎo)電性D.優(yōu)異的光學(xué)透明度4.光催化降解有機污染物需要滿足的關(guān)鍵條件之一是？A.催化劑本身必須廉價易得B.光照波長必須與催化劑的帶隙能精確匹配C.反應(yīng)必須在缺氧條件下進行D.產(chǎn)物必須易于從水中分離5.下列哪種材料不適合用作環(huán)境監(jiān)測試劑？A.對特定氣體分子具有高選擇性吸附的材料B.能夠?qū)⒒瘜W(xué)信號轉(zhuǎn)化為可測光信號的功能材料C.化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定、不易老化的材料D.本身具有強熒光或顏色、易于檢測的材料6.設(shè)計用于土壤修復(fù)的固定化酶或微生物載體時，首要考慮的是？A.載體的機械強度B.載體與土壤顆粒的粘附能力C.載體在水中的溶解度D.載體自身的生物相容性7.分子印跡技術(shù)主要用于制備具有特定識別位點的材料，其主要優(yōu)勢在于？A.成本極低B.可實現(xiàn)高度的特異性識別C.識別過程不受pH影響D.識別后易于再生8.將分子設(shè)計與合成應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)時，以下哪項考慮不屬于“可持續(xù)性”范疇？A.合成路線的原子經(jīng)濟性B.所用試劑和溶劑的環(huán)境友好性C.修復(fù)材料的長期穩(wěn)定性D.修復(fù)過程產(chǎn)生新的二次污染9.設(shè)計高效光催化劑時，除了考慮其光吸收性能外，通常還需要關(guān)注？A.電子-空穴對的復(fù)合速率B.催化劑的沉降速度C.催化劑的熔點D.催化劑的儲存穩(wěn)定性10.下列哪種環(huán)境問題最不適合通過直接設(shè)計新型分子或材料來進行干預(yù)？A.水體富營養(yǎng)化B.大氣揮發(fā)性有機物（VOCs）污染C.土壤重金屬污染D.全球氣候變暖二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.分子設(shè)計的基本思路是根據(jù)______與______之間的關(guān)系，進行有目的的分子結(jié)構(gòu)修飾或構(gòu)建。2.綠色化學(xué)的“12項原則”中，強調(diào)使用更安全的化學(xué)品和溶劑的原則是第______項原則。3.用于去除水中氮氧化物（NOx）的分子篩材料，通常需要具備______和______。4.設(shè)計用于空氣凈化的光催化材料時，需要考慮其對特定污染物（如甲醛）的______以及對可見光的______。5.生物傳感器通常由三部分組成：敏感元件、______和信號輸出裝置。6.在分子印跡技術(shù)中，作為模板分子被識別并結(jié)合到功能單體中的分子稱為______。7.設(shè)計用于固定化酶的載體時，除了考慮生物相容性，還需關(guān)注其對酶的______和______。8.分子自組裝技術(shù)可以制備具有特定微觀結(jié)構(gòu)的材料，如______和______。9.為了提高環(huán)境友好性，分子合成中應(yīng)盡量采用______和______的合成路線。10.分子設(shè)計與合成在環(huán)境科學(xué)工程中的核心應(yīng)用之一是開發(fā)高效、低成本的______材料。三、簡答題（每題5分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.簡述分子識別的基本原理及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。2.比較均相催化和非均相催化的特點，并說明其在環(huán)境污染物降解中的應(yīng)用差異。3.簡述設(shè)計用于吸附水體中有機污染物的材料時，需要考慮的主要結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。4.解釋什么是綠色合成，并列舉至少三種綠色合成策略。四、論述題（每題10分，共30分。請將答案填在答題紙上。）1.結(jié)合具體實例，論述分子設(shè)計思想在開發(fā)高效光催化降解水中有機污染物材料中的作用和意義。2.針對水體中抗生素污染日益嚴(yán)重的問題，設(shè)想一種基于分子設(shè)計與合成的解決方案，并闡述其設(shè)計思路、關(guān)鍵步驟和預(yù)期效果。3.論述分子印跡技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測（如非法藥物檢測、有毒物質(zhì)殘留分析）中的應(yīng)用潛力、面臨的挑戰(zhàn)及可能的改進方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.C6.B7.B8.D9.A10.D二、填空題1.結(jié)構(gòu)；性能2.93.高比表面積；合適的孔道結(jié)構(gòu)4.選擇性；利用率（或“量子效率”）5.信號轉(zhuǎn)換器（或“換能器”）6.模板分子（或“印跡分子”）7.保護性；保持活性（或“固定效率”）8.超分子聚合物；分子管9.原子經(jīng)濟性；步驟簡約化（或“無害化”）10.環(huán)境凈化（或“污染物去除”、“環(huán)境修復(fù)”）三、簡答題1.解析思路:分子識別是基于分子間非共價相互作用（如氫鍵、范德華力、靜電作用、π-π堆積等）實現(xiàn)的特異性結(jié)合過程。在環(huán)境監(jiān)測中，利用具有特定識別位點的分子或材料（如抗體、核酸適配體、功能高分子）捕獲環(huán)境樣品中的目標(biāo)污染物分子，形成特定復(fù)合物，再通過檢測該復(fù)合物的存在或變化（如顏色變化、熒光變化、電信號變化）來達到監(jiān)測目的。2.解析思路:均相催化中，催化劑與反應(yīng)物處于同一相態(tài)（通常是液相），催化劑分子能均勻分散，反應(yīng)速率快，選擇性好，但催化劑不易分離回收，可能產(chǎn)生二次污染。非均相催化中，催化劑為固體，反應(yīng)物在表面發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后催化劑易于分離，可重復(fù)使用，更環(huán)境友好，常用于大氣催化轉(zhuǎn)化、固體廢物焚燒等。應(yīng)用差異主要體現(xiàn)在：均相催化更適用于液相反應(yīng)或氣相反應(yīng)速率較慢的情況；非均相催化更適用于氣固相反應(yīng)或液固相反應(yīng)，且強調(diào)催化劑的分離與循環(huán)利用。3.解析思路:吸附材料對有機污染物的吸附性能主要取決于：①材料的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)（越大、越匹配越好，利于污染物擴散和停留）；②材料表面的化學(xué)性質(zhì)（如存在酸性/堿性位點、氧化態(tài)、官能團等，能與污染物發(fā)生化學(xué)作用，如酸堿絡(luò)合、靜電吸引、π-π作用、氫鍵等）；③材料與污染物分子間的相互作用強度（作用力越強，吸附越牢固）；④材料的熱穩(wěn)定性（確保在吸附/解吸循環(huán)中結(jié)構(gòu)不被破壞）。4.解析思路:綠色合成是指在化學(xué)合成過程中，最大限度地減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，對環(huán)境友好。綠色合成策略包括：①使用可再生原料；②采用原子經(jīng)濟性高的反應(yīng)（盡量無副產(chǎn)物）；③使用環(huán)境友好的溶劑（如水、乙醇、超臨界流體，避免使用有機溶劑）；④開發(fā)催化反應(yīng)（高效、選擇性、可回收）；⑤在溫和條件下進行反應(yīng)（低壓、低溫）；⑥設(shè)計可降解、環(huán)境無害的化學(xué)品。四、論述題1.解析思路:分子設(shè)計思想通過預(yù)測和調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)與性能，使其具備高效降解有機污染物的能力。例如，設(shè)計具有高比表面積和豐富活性位點（如金屬氧化物表面的氧空位、缺陷）的材料，以增加污染物吸附和轉(zhuǎn)化的機會；通過理論計算或經(jīng)驗規(guī)則設(shè)計具有特定能帶結(jié)構(gòu)（如合適的帶隙寬度）和光吸收特性的半導(dǎo)體光催化劑，使其能有效吸收太陽光或特定波長光源；引入缺陷工程、元素?fù)诫s等手段調(diào)控光生電子-空穴對的分離效率，抑制其復(fù)合，提高量子效率；設(shè)計具有協(xié)同效應(yīng)的多組分復(fù)合材料（如光催化劑-吸附劑復(fù)合），實現(xiàn)吸附與降解的協(xié)同作用，提升整體性能。這些基于分子設(shè)計的方法能夠開發(fā)出比傳統(tǒng)方法更高效、更穩(wěn)定、更具針對性的光催化材料，推動環(huán)境凈化技術(shù)的發(fā)展。2.解析思路:解決水體抗生素污染的方案可基于分子設(shè)計合成多功能材料。設(shè)計思路：①選擇合適的基底材料（如生物炭、二氧化硅、金屬有機框架MOFs），賦予其高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)；②在基底上設(shè)計合成具有強吸附位點的官能團（如含氮、含氧官能團，可形成氫鍵、靜電作用、配位鍵吸附抗生素）；③引入具有氧化能力的活性位點（如負(fù)載過渡金屬納米顆粒Cu,Fe,Mn等，或構(gòu)建類芬頓/類過硫酸鹽反應(yīng)活性位點），實現(xiàn)對抗生素的化學(xué)降解；④考慮材料的穩(wěn)定性（化學(xué)、光化學(xué)、生物降解穩(wěn)定性）和易分離性（如磁響應(yīng)材料）。預(yù)期效果：該材料能高效吸附水體中的抗生素，同時利用內(nèi)置的氧化能力將吸附的抗生素或水體中游離的抗生素礦化為無害小分子（如CO2,H2O），從而實現(xiàn)對抗生素污染的去除和降解，保護水生態(tài)環(huán)境。3.解析思路:分子印跡技術(shù)可在材料表面或內(nèi)部形成與目標(biāo)分子（印跡分子）結(jié)構(gòu)互補的識別位點，使其對目標(biāo)分子具有高度的選擇性和特異性，因此在環(huán)境監(jiān)測中潛力巨大。應(yīng)用潛力：可用于檢測空氣、水、土壤中的揮發(fā)性有機物（VOCs）、持久性有機污染物（POPs）、重金屬離子、農(nóng)藥殘留、非法藥物等。通過印跡特定污染物分子，制備傳感器或吸附材料，實現(xiàn)快速、低成本、高選擇性的現(xiàn)場檢測或富集分離。面臨的挑戰(zhàn)：①印跡位點的穩(wěn)定性和壽命；②印跡過程可能對材料的其他物理化學(xué)性質(zhì)（如光學(xué)、導(dǎo)電性）產(chǎn)生不利影響