2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——碳基材料在新能源領(lǐng)域中的應(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。下列每小題選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)符合題意。）1.下列哪種碳材料通常具有層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)鍵能強(qiáng)而層間鍵能弱，因此具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性？A.金剛石B.富勒烯C.石墨D.碳納米管2.在鋰離子電池中，用作負(fù)極材料的人造石墨，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠提供比天然石墨更好的？A.硬度B.抗氧化性C.鋰離子嵌入/脫出電壓D.初始庫(kù)侖效率3.石墨烯的發(fā)現(xiàn)主要?dú)w功于其在哪種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的展示？A.拉曼光譜B.透射電子顯微鏡觀察C.懸浮液超聲處理D.電池性能測(cè)試4.為了提高鋰離子電池碳負(fù)極的循環(huán)壽命，常采用的改性方法之一是將其與哪種材料復(fù)合？A.金屬氧化物B.金屬鋁C.高分子聚合物D.硅5.碳納米管在超級(jí)電容器中主要發(fā)揮的作用是？A.提供高電壓B.作為唯一的電極材料C.增加電極的比表面積和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)D.作為電解質(zhì)6.碳捕集與封存（CCUS）技術(shù)中，利用活性炭吸附CO2的主要原理是？A.化學(xué)反應(yīng)B.電化學(xué)作用C.物理吸附（范德華力）D.濃差電池7.下列哪種材料被認(rèn)為是下一代鋰離子電池正極材料的潛在競(jìng)爭(zhēng)者，因?yàn)樗哂懈呃碚撊萘?？A.磷酸鐵鋰（LiFePO4）B.層狀氧化物（如LiCoO2）C.三元層狀氧化物（如LiNiMnCoO2）D.磁性碳化物8.石墨的導(dǎo)電性主要來(lái)源于？A.孤對(duì)電子B.sp3雜化軌道C.sp2雜化碳原子形成的π電子離域體系D.離子鍵9.在燃料電池中，如果使用碳材料作為催化劑載體，其主要目的是？A.增加催化活性本身B.提供高導(dǎo)電性，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)C.增加電池的機(jī)械強(qiáng)度D.降低電池的制造成本10.從資源化學(xué)的角度看，開(kāi)發(fā)利用石墨資源時(shí)需要特別關(guān)注的問(wèn)題之一是？A.石墨的熔點(diǎn)B.石墨的層間距C.石墨礦的品位、開(kāi)采過(guò)程中的環(huán)境破壞及資源綜合利用效率D.石墨的晶體缺陷二、填空題（每空2分，共20分。）1.碳納米管根據(jù)其卷曲形態(tài)可分為_(kāi)_____碳納米管和______碳納米管。2.鋰離子在石墨負(fù)極材料中嵌入的過(guò)程，通常涉及鋰離子進(jìn)入石墨層間形成______層。3.超級(jí)電容器相比鋰離子電池，通常具有更高的______和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，但能量密度較低。4.石墨烯的厚度通常被認(rèn)為是______的單層碳原子片。5.在碳基材料的制備過(guò)程中，通過(guò)高溫碳化和活化等方法可以控制其______和______。6.碳材料用于碳捕集時(shí)，其比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)是影響吸附性能的關(guān)鍵因素，這通常通過(guò)調(diào)節(jié)其______來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.“資源化學(xué)”視角強(qiáng)調(diào)在碳基材料利用中要關(guān)注資源的______、______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述石墨烯與塊狀石墨在電化學(xué)性能方面的主要差異。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明碳材料在燃料電池中可能扮演的角色。3.簡(jiǎn)述提高碳基鋰離子電池負(fù)極材料倍率性能的常用策略。4.簡(jiǎn)述從資源化學(xué)角度評(píng)價(jià)一種碳基材料是否具有良好應(yīng)用前景時(shí)，需要考慮哪些方面。四、論述題（每題10分，共30分。）1.論述碳納米管作為鋰離子電池電極材料的應(yīng)用潛力和面臨的挑戰(zhàn)。2.論述將“資源循環(huán)利用”理念融入碳基材料在新能源領(lǐng)域應(yīng)用的重要性。3.選擇一種具體的碳基材料（如石墨烯、碳納米管、改性石墨等），結(jié)合其在某一新能源應(yīng)用（如鋰離子電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池等）中的實(shí)例，論述其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。---試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.A5.C6.C7.D8.C9.B10.C二、填空題1.直徑卷曲2.層間3.倍率功率4.單5.比表面積孔隙結(jié)構(gòu)6.結(jié)構(gòu)7.高效開(kāi)源持續(xù)三、簡(jiǎn)答題1.答：石墨烯具有極高的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性，其電化學(xué)儲(chǔ)鋰活性遠(yuǎn)高于塊狀石墨。石墨烯的鋰離子擴(kuò)散路徑短，有利于倍率性能的提升。此外，石墨烯的厚度單層特性使其在鋰離子嵌入時(shí)結(jié)構(gòu)變化較小，循環(huán)穩(wěn)定性可能優(yōu)于塊狀石墨。然而，單層石墨烯的體積膨脹問(wèn)題可能更突出。2.答：碳材料在燃料電池中可作催化劑載體（如負(fù)載鉑催化劑），提供高比表面積以分散催化劑，提高催化活性和穩(wěn)定性。某些碳材料本身也可作為非貴金屬催化劑或助催化劑，參與電化學(xué)反應(yīng)。此外，碳材料可作為電極基體，構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電極的電子傳導(dǎo)能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。3.答：提高碳基鋰離子電池負(fù)極材料倍率性能的常用策略包括：減小電極材料顆粒尺寸，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑；增加電極材料比表面積，提供更多活性位點(diǎn)；構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，確保鋰離子和電子快速傳輸；采用碳材料復(fù)合（如石墨/硅復(fù)合負(fù)極），利用高容量材料與導(dǎo)電材料協(xié)同作用。4.答：從資源化學(xué)角度評(píng)價(jià)碳基材料應(yīng)用前景時(shí)，需考慮：資源的可獲得性（儲(chǔ)量、分布）、開(kāi)采和加工的能耗與環(huán)境影響（是否綠色、可持續(xù)）、材料的循環(huán)利用可能性與回收技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、材料的綜合利用效率、以及整個(gè)生命周期對(duì)資源消耗和環(huán)境的影響。四、論述題1.答：潛力：碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高比表面積和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其在鋰離子電池中作為負(fù)極材料（高容量、倍率性能）、正極材料（高電壓、高容量）、或作為導(dǎo)電添加劑（改善電極電導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）方面顯示出巨大潛力。其獨(dú)特的1D或0D結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的快速傳輸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。面臨挑戰(zhàn)：碳納米管的制備成本較高，且難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量的制備。碳納米管易團(tuán)聚，導(dǎo)致實(shí)際比表面積遠(yuǎn)低于理論值，影響電化學(xué)性能。其在鋰離子嵌入/脫出過(guò)程中的體積膨脹問(wèn)題依然存在。如何有效分散碳納米管并構(gòu)建穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)也是一大挑戰(zhàn)。此外，其長(zhǎng)程導(dǎo)電性優(yōu)勢(shì)在薄電極中可能減弱。2.答：將“資源循環(huán)利用”理念融入碳基材料在新能源領(lǐng)域應(yīng)用至關(guān)重要。首先，許多碳基材料（如廢石墨、廢碳纖維、生物質(zhì)碳）來(lái)源廣泛，通過(guò)資源化利用可將廢棄物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的新能源材料，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源高效利用。其次，發(fā)展碳材料的回收與再利用技術(shù)，可以減少對(duì)原生資源的依賴，緩解資源短缺壓力，降低環(huán)境負(fù)荷。再次，從全生命周期視角出發(fā)，考慮碳材料的開(kāi)采、制備、使用到廢棄回收的全過(guò)程環(huán)境影響，有助于開(kāi)發(fā)更綠色、更可持續(xù)的新能源技術(shù)，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的要求。這有助于推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期健康發(fā)展。3.答：（選擇一）以石墨烯為例，其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用主要得益于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯具有極高的比表面積（理論值約2630m2/g），為電荷的存儲(chǔ)提供了巨大的活性位點(diǎn)。其厚度僅一個(gè)碳原子層，電子遷移率極高，保證了電荷的快速充放電。此外，石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度有助于構(gòu)建高倍率、長(zhǎng)壽命、高能量密度的超級(jí)電容器電極。然而，單層石墨烯的體積膨脹問(wèn)題限制了其在高倍率或大容量應(yīng)用中的穩(wěn)定性，通常需要通過(guò)還原氧化石墨烯、構(gòu)筑石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)緩解。其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系主要體現(xiàn)在：高比表面積對(duì)應(yīng)高容量，高導(dǎo)電性對(duì)應(yīng)高倍率性能和低內(nèi)阻，而其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性則影響循環(huán)壽命。（選擇二）以碳納米管為例，其在鋰離子電池正極中的應(yīng)用潛力源于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。碳納米管（尤其是單壁碳納米管）具有中空管狀結(jié)構(gòu)，理論比表面積大，可提供豐富的鋰存儲(chǔ)位點(diǎn)。其管壁上的缺陷和邊緣位點(diǎn)是鋰離子嵌入/脫出的活性中心。同時(shí)，碳納米管具有極高的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械