2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——材料化學(xué)中的新型合成策略考試時(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.下列哪種方法主要利用分子間作用力（如范德華力、氫鍵）的自發(fā)排列形成有序結(jié)構(gòu)？A.噴霧干燥法B.濺射沉積法C.膠體模板法D.自組裝技術(shù)2.微流控合成技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)B.能精確控制反應(yīng)物濃度和混合，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞/單分子操作C.通常需要高溫高壓條件D.只適用于液態(tài)前驅(qū)體的合成3.在綠色化學(xué)合成策略中，原子經(jīng)濟(jì)性高的反應(yīng)意味著？A.反應(yīng)速率非常快B.產(chǎn)物的純度高C.反應(yīng)物中的原子盡可能多地轉(zhuǎn)化到目標(biāo)產(chǎn)物中，副產(chǎn)物少D.反應(yīng)條件溫和4.利用生物分子（如蛋白質(zhì)、DNA）作為模板來合成材料的方法屬于？A.原位合成法B.濺射沉積法C.生物模板法D.溶膠-凝膠法5.前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（如化學(xué)氣相沉積CVD）的核心過程是？A.物理氣體的碰撞沉積B.液體前驅(qū)體在加熱表面上的裂解與沉積C.固體粉末的燒結(jié)聚集體D.自組裝單元的締合過程6.對(duì)于制備具有精確納米尺寸和形貌的材料，哪種合成策略通常更具優(yōu)勢(shì)？A.傳統(tǒng)熔融法B.基于模板的自組裝法C.噴霧熱解法D.機(jī)械研磨法7.水相合成策略的主要優(yōu)點(diǎn)是？A.產(chǎn)率通常很高B.適用于合成對(duì)水不敏感的材料C.通常原子經(jīng)濟(jì)性更高D.設(shè)備要求通常較低8.在設(shè)計(jì)合成一種新型無機(jī)納米顆粒時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)改變反應(yīng)pH值對(duì)顆粒尺寸影響顯著。這表明該合成過程可能受到哪種因素的強(qiáng)烈影響？A.前驅(qū)體濃度B.溫度C.表面形核與生長速率的控制D.攪拌速度9.旨在通過計(jì)算模擬和數(shù)據(jù)分析來預(yù)測(cè)和優(yōu)化材料合成路線的方法屬于？A.高通量實(shí)驗(yàn)合成B.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料設(shè)計(jì)C.半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)D.增材制造（3D打印）中的材料合成10.原位合成技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)在于？A.在反應(yīng)完成后才引入第二相B.將不同組分的合成步驟在同一反應(yīng)器中連續(xù)進(jìn)行C.在合成過程中利用某種探測(cè)手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)或化學(xué)狀態(tài)變化D.通常使用昂貴的專用設(shè)備二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.利用精確控制的微通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流動(dòng)、混合和反應(yīng)條件的精確調(diào)控的合成技術(shù)稱為________。2.通過控制溶液中溶質(zhì)的過飽和度，使其以納米或微米尺度結(jié)晶析出的方法是________。3.模板法合成材料的核心在于利用模板材料的________結(jié)構(gòu)或化學(xué)環(huán)境來引導(dǎo)或限制目標(biāo)產(chǎn)物的生長。4.綠色化學(xué)合成策略強(qiáng)調(diào)減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，其中________原則指反應(yīng)物中的所有原子都轉(zhuǎn)化到期望的最終產(chǎn)物中。5.通過計(jì)算預(yù)測(cè)材料性質(zhì)并反向設(shè)計(jì)合成路線，結(jié)合高通量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是________在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)典型例子。6.某些材料（如某些金屬配合物）在溶液中自發(fā)的、有序地排列形成超分子聚集體，這一過程稱為________。7.________是指在材料合成的同時(shí)，利用原位表征技術(shù)（如X射線衍射、核磁共振等）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其結(jié)構(gòu)或成分變化。8.基于計(jì)算的材料設(shè)計(jì)旨在加速新材料的發(fā)現(xiàn)，它依賴于強(qiáng)大的________和相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。9.微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)________，為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)和精準(zhǔn)控制合成過程提供了可能。10.利用氣態(tài)物質(zhì)在基板表面進(jìn)行沉積并生長成薄膜或固體的技術(shù)，如________，常用于半導(dǎo)體工業(yè)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述自組裝技術(shù)在材料合成中的基本原理及其至少一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。2.比較模板法合成策略與物理氣相沉積法在制備納米結(jié)構(gòu)材料方面的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述綠色化學(xué)合成策略對(duì)于發(fā)展可持續(xù)材料科學(xué)的重要意義。四、論述題（每題10分，共20分）1.以一種你熟悉的新型功能材料（如鈣鈦礦太陽能電池材料、二維過渡金屬硫化物、金屬有機(jī)框架MOF等）為例，詳細(xì)論述至少三種不同的合成策略，并分析比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合。2.討論微流控合成技術(shù)在實(shí)現(xiàn)材料合成過程精確控制和智能化方面的潛力與面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.C5.B6.B7.A8.C9.B10.C二、填空題1.微流控合成技術(shù)2.沉淀法3.微觀/納米4.原子經(jīng)濟(jì)性5.機(jī)器學(xué)習(xí)6.自組裝7.原位合成8.計(jì)算機(jī)科學(xué)9.精確操控流體10.化學(xué)氣相沉積(CVD)三、簡(jiǎn)答題1.原理：自組裝是指分子或納米尺度單元在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)下（如熵增、界面能降低）自發(fā)地、無序地排列形成有序結(jié)構(gòu)或超分子的過程。在材料合成中，通過設(shè)計(jì)前驅(qū)體分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其在特定條件下能通過非共價(jià)鍵相互作用（如氫鍵、范德華力、π-π堆積）自行組裝成目標(biāo)材料的納米結(jié)構(gòu)或宏觀形態(tài)。應(yīng)用：例如，在制備納米藥物載體時(shí)，利用聚合物或脂質(zhì)分子自組裝形成納米囊、膠束或脂質(zhì)體，以實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送和控釋。2.區(qū)別：*模板：模板法利用具有特定孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)或空間限制的模板（如生物分子、多孔材料、犧牲模板）來引導(dǎo)或限制目標(biāo)材料的生長，從而獲得特定尺寸、形貌或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。物理氣相沉積法通常不依賴這種預(yù)先存在的空間結(jié)構(gòu)模板，而是通過氣相源在基板上沉積并生長。*機(jī)理：模板法涉及前驅(qū)體在模板環(huán)境中的吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)和生長等過程。物理氣相沉積法主要涉及氣態(tài)物質(zhì)在基板表面的沉積、凝聚和成核生長過程。*控制：模板法通過模板的選擇和設(shè)計(jì)來精確控制產(chǎn)物的最終形態(tài)，但模板的去除可能帶來挑戰(zhàn)。物理氣相沉積法通過控制源物質(zhì)、溫度、氣壓等參數(shù)來控制薄膜的成分、厚度和晶相，但通常難以獲得極其復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。3.意義：綠色化學(xué)合成策略通過從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生，降低對(duì)環(huán)境和人類健康的危害，促進(jìn)資源的有效利用和循環(huán)，是實(shí)現(xiàn)材料科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。它有助于開發(fā)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)效益好的新材料和新工藝，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，并為創(chuàng)造一個(gè)更健康、更安全的生產(chǎn)和生活環(huán)境做出貢獻(xiàn)。四、論述題1.材料示例：以金屬有機(jī)框架(MOF)材料為例。合成策略一：溶劑熱/溶劑揮發(fā)法。*原理：在高溫高壓（溶劑熱）或室溫下利用溶劑揮發(fā)（溶劑揮發(fā)）的條件下，金屬離子或團(tuán)簇與有機(jī)配體在溶液或固液界面發(fā)生自組裝反應(yīng)，通過配體與金屬節(jié)點(diǎn)的配位作用形成具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MOF。*優(yōu)點(diǎn)：條件相對(duì)溫和（溶劑揮發(fā)），操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，可合成多種結(jié)構(gòu)和組成的MOF。*缺點(diǎn)：產(chǎn)物純化可能困難，尺寸均一性控制有時(shí)較難，部分溶劑可能殘留。合成策略二：浸漬法/擴(kuò)散法。*原理：將含有金屬離子或團(tuán)簇的溶液/凝膠浸漬到多孔的有機(jī)配體框架（或載體）中，通過溶劑置換或揮發(fā)，使金屬節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散進(jìn)入配體框架，發(fā)生原位配位反應(yīng)生成MOF。*優(yōu)點(diǎn)：可利用已有的多孔材料作為載體，易于實(shí)現(xiàn)多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可能引入額外的功能。*缺點(diǎn)：金屬離子擴(kuò)散可能不完全，導(dǎo)致產(chǎn)率不高或結(jié)構(gòu)不完整；引入的溶劑可能難以完全去除。合成策略三：氣體引入法。*原理：將含有金屬源和有機(jī)配體的前驅(qū)體混合物加熱，通過引入惰性氣體或反應(yīng)性氣體（如CO、H?），使氣體前驅(qū)體在高溫下分解并參與MOF的組裝過程。*優(yōu)點(diǎn)：可避免使用液態(tài)有機(jī)溶劑，簡(jiǎn)化后處理步驟，減少環(huán)境污染；適用于合成對(duì)水或某些有機(jī)溶劑敏感的MOF。*缺點(diǎn)：對(duì)反應(yīng)條件（溫度、壓力）要求較高，氣體前驅(qū)體選擇和配比需要精確控制。比較：溶劑熱/溶劑揮發(fā)法最為通用，浸漬法適合利用現(xiàn)有材料進(jìn)行功能拓展，氣體引入法環(huán)保且適用于特定體系。選擇哪種策略取決于目標(biāo)MOF的結(jié)構(gòu)、組成以及對(duì)性能的要求。2.潛力：*精確控制：微流控技術(shù)通過微通道精確控制流體流速、混合時(shí)間和反應(yīng)體積，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)條件（溫度、pH、濃度、停留時(shí)間等）的納米級(jí)乃至皮升級(jí)別的精確定義和獨(dú)立控制，這對(duì)于合成具有高度均勻性、復(fù)雜組分或特定尺寸/形貌的材料至關(guān)重要。*高通量與并行處理：微流控芯片可以在單個(gè)芯片上集成大量微反應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)多個(gè)合成路線或反應(yīng)條件的并行處理和快速篩選，極大地提高了材料發(fā)現(xiàn)的效率和速度。*集成化與自動(dòng)化：微流控系統(tǒng)易于與傳感器、檢測(cè)器和自動(dòng)化控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從反應(yīng)物加載、條件控制、反應(yīng)進(jìn)行到產(chǎn)物收集、分析的全程自動(dòng)化，降低了對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求，提高了重復(fù)性和可靠性。*綠色化與可持續(xù)性：微流控技術(shù)通常使用微量的反應(yīng)物和溶劑，減少了試劑消耗和廢液產(chǎn)生，符合綠色化學(xué)的要求。精確控制也有助于提高原子經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)率。*智能化潛力：結(jié)合計(jì)算模擬、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，可以構(gòu)建“設(shè)計(jì)-合成-表征-分析-優(yōu)化”的閉環(huán)智能材料合成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)材料的自主發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。挑戰(zhàn)：*設(shè)備成本與復(fù)雜性：高精度的微流控芯片制造和集成系統(tǒng)成本相對(duì)較高，對(duì)設(shè)備維護(hù)和操作人員的技術(shù)要求也較高。*規(guī)?；a(chǎn)：將微流控技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究規(guī)模放大到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模仍面臨挑戰(zhàn)，包括芯片制造的成本效益、流體的堵塞與清洗、以及與傳統(tǒng)