2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——電化學(xué)應(yīng)用化學(xué)中的應(yīng)用前景展望考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、電化學(xué)技術(shù)在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域扮演著日益重要的角色。請(qǐng)結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，論述鋰離子電池技術(shù)未來(lái)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵方向，并簡(jiǎn)述你個(gè)人對(duì)該領(lǐng)域最具潛力的突破點(diǎn)的看法及理由。二、電化學(xué)水處理技術(shù)因其高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。試列舉至少三種基于電化學(xué)原理的水處理方法（例如電解氧化、電芬頓、電凝聚等），并分別簡(jiǎn)述其基本原理、主要應(yīng)用于處理何種類型的污染物，以及該類方法相比傳統(tǒng)方法可能存在的優(yōu)勢(shì)。三、燃料電池作為清潔能源技術(shù)的重要方向之一，其電化學(xué)性能受到催化劑性能的極大影響。請(qǐng)闡述電催化劑在燃料電池（以質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC為例）中的作用機(jī)制，并分析當(dāng)前Pt基催化劑面臨的主要問(wèn)題以及研發(fā)非Pt或低Pt催化劑的思路和挑戰(zhàn)。四、電化學(xué)傳感器因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。請(qǐng)選擇一種你熟悉或感興趣的電化學(xué)傳感器類型（例如電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?、電化學(xué)免疫傳感器、氣體電化學(xué)傳感器等），描述其基本工作原理，并探討其在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)以及相應(yīng)的解決方案。五、結(jié)合當(dāng)前材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，論述電化學(xué)沉積技術(shù)在制備納米材料（如納米線、納米管、納米顆粒等）方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并舉例說(shuō)明其在特定領(lǐng)域（如催化劑、傳感器、儲(chǔ)能器件等）的應(yīng)用潛力。六、電化學(xué)腐蝕是影響金屬材料性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。請(qǐng)簡(jiǎn)述電化學(xué)腐蝕的基本過(guò)程，并針對(duì)某一特定工業(yè)領(lǐng)域（例如海洋工程、化工設(shè)備、航空航天等）常見的腐蝕問(wèn)題，分析其主要的電化學(xué)機(jī)制，并提出一種或多種有效的電化學(xué)防護(hù)措施及其原理。試卷答案一、答案：鋰離子電池未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵方向可能包括：1）開發(fā)高能量密度、高安全性、長(zhǎng)壽命的新型正負(fù)極材料，如高鎳正極、硅基負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)等；2）提升電池管理系統(tǒng)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)更精確的充放電控制和故障預(yù)警；3）優(yōu)化電池制造工藝，降低成本，提高一致性。最具潛力的突破點(diǎn)可能是固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用，因?yàn)樗型麖母旧辖鉀Q液態(tài)鋰離子電池的安全性和能量密度瓶頸，盡管目前面臨界面穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率等挑戰(zhàn)，但其發(fā)展前景被普遍看好，理由在于它為構(gòu)建更高性能、更安全的電池系統(tǒng)提供了革命性的可能性。解析思路：本題考察對(duì)鋰離子電池前沿技術(shù)的理解和前瞻性思考。首先需明確鋰離子電池當(dāng)前的技術(shù)瓶頸（能量密度、安全性、壽命、成本）。然后，基于這些瓶頸，提出相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展方向（新材料、智能BMS、工藝優(yōu)化）。最后，在眾多方向中選取一個(gè)最具潛力的進(jìn)行深入闡述，需要結(jié)合其優(yōu)勢(shì)（解決瓶頸的能力）和面臨的挑戰(zhàn)（當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)），并給出充分的理由支撐其潛力。二、答案：1）電解氧化：原理是利用外加電流或電化學(xué)介質(zhì)氧化水中的有機(jī)污染物。主要應(yīng)用于處理難生物降解的有機(jī)物，如酚類、農(nóng)藥等。優(yōu)勢(shì)在于可氧化多種有機(jī)物，無(wú)需添加大量化學(xué)藥劑，處理效率相對(duì)較高。2）電芬頓：原理是在電化學(xué)作用下產(chǎn)生芬頓試劑（·OH），用于降解有機(jī)污染物。主要應(yīng)用于處理持久性有機(jī)污染物（POPs）。優(yōu)勢(shì)在于可處理種類廣泛的難降解有機(jī)物，反應(yīng)條件相對(duì)溫和。3）電凝聚：原理是利用電極反應(yīng)產(chǎn)生金屬羥基合物膠體，吸附、電化學(xué)氧化或物理包裹污染物。主要應(yīng)用于去除懸浮物、色度、重金屬離子。優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單，可同時(shí)去除多種目標(biāo)物，產(chǎn)生的污泥量相對(duì)可控。解析思路：本題要求列舉并分析多種電化學(xué)水處理方法。需要對(duì)每種方法的定義、基本原理、應(yīng)用對(duì)象和優(yōu)勢(shì)有清晰的認(rèn)識(shí)。逐一列舉三種典型方法，然后分別闡述其原理，說(shuō)明其適用的污染物類型，并比較其相對(duì)于傳統(tǒng)方法（如化學(xué)氧化、芬頓法、混凝沉淀等）的優(yōu)勢(shì)所在。三、答案：電催化劑在PEMFC中主要作用是降低反應(yīng)（氫氧化反應(yīng)和氧還原反應(yīng)）的過(guò)電位，從而提高電池的功率密度和效率。其作用機(jī)制通常涉及吸附、中間體轉(zhuǎn)化、脫附等步驟。Pt基催化劑面臨的主要問(wèn)題是成本高昂、資源稀缺以及在高電流密度下穩(wěn)定性不足（易發(fā)生Pt溶解和遷移）。研發(fā)非Pt或低Pt催化劑的思路主要是尋找具有類似或更優(yōu)電催化活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑（如過(guò)渡金屬氧化物、硫化物、氮化物等）或通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如核殼結(jié)構(gòu)、納米合金）來(lái)優(yōu)化Pt的利用率和穩(wěn)定性。挑戰(zhàn)在于非Pt催化劑的活性通常低于Pt，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗CO?中毒能力等仍需提高。解析思路：本題考察燃料電池催化劑的基礎(chǔ)知識(shí)和前沿研究。首先明確催化劑在FC中的核心作用（降低過(guò)電位）。然后解釋其基本作用機(jī)制（吸附-轉(zhuǎn)化-脫附）。接著分析Pt催化劑的問(wèn)題（成本、稀缺性、穩(wěn)定性）。最后闡述非Pt/低Pt催化劑的研發(fā)方向（材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）并指出其面臨的挑戰(zhàn)。四、答案：以電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鳛槔夯竟ぷ髟硎抢妹傅拇呋饔茫谔囟ǖ孜锎嬖谙掳l(fā)生電化學(xué)氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生的電信號(hào)（電流、電位、峰面積等）與底物濃度成正比。其應(yīng)用廣泛，如葡萄糖、膽固醇、乳酸等生物指標(biāo)的檢測(cè)。技術(shù)難點(diǎn)主要包括：酶的穩(wěn)定性與活性保持、酶固定化方法的優(yōu)化（保持生物活性同時(shí)易于電信號(hào)傳導(dǎo)）、傳感器的選擇性和靈敏度、以及實(shí)際樣品中基質(zhì)效應(yīng)的干擾等。解決方案可能涉及新型固定化技術(shù)（如納米材料固定、仿生界面設(shè)計(jì)）、信號(hào)放大策略（如酶催化放大、納米材料增強(qiáng)）、優(yōu)化傳感膜材料和選擇合適的電化學(xué)測(cè)量模式等。解析思路：本題要求針對(duì)特定類型的電化學(xué)傳感器進(jìn)行闡述。需先清楚定義所選傳感器類型（如電化酶?jìng)鞲衅鳎?，描述其核心工作原理（酶催化與電信號(hào)轉(zhuǎn)換）。然后列舉其在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的主要技術(shù)挑戰(zhàn)（酶穩(wěn)定性、固定化、選擇性與靈敏度、基質(zhì)干擾等）。最后，針對(duì)這些難點(diǎn)提出合理的技術(shù)解決方案或研究方向。五、答案：電化學(xué)沉積技術(shù)在制備納米材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如：1）能夠精確控制納米材料的尺寸、形貌和分布；2）易于在復(fù)雜形狀的基底上制備均勻的薄膜；3）可以在較低溫度下進(jìn)行，能耗較低；4）結(jié)合電化學(xué)脈沖、周期伏安等技術(shù)，可以制備具有特定結(jié)構(gòu)和組成的納米材料。例如，在制備催化劑方面，可以通過(guò)電化學(xué)沉積制備負(fù)載型納米催化劑（如將Pt、CoNi合金等沉積在載體上），用于電解水制氫、有機(jī)物降解等；在傳感器方面，可以制備具有高比表面積和優(yōu)異電化學(xué)活性的納米材料（如納米氧化鋅、納米金），用于氣體檢測(cè)或生物分子識(shí)別。解析思路：本題要求論述電化學(xué)沉積制備納米材料的優(yōu)勢(shì)，并舉例說(shuō)明應(yīng)用。需要先列出電化學(xué)沉積在納米材料制備上的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)（尺寸形貌控制、均勻性、低溫、可調(diào)控性）。然后，結(jié)合這些優(yōu)勢(shì)，選擇一個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域（如催化劑、傳感器），說(shuō)明電化學(xué)沉積如何滿足該領(lǐng)域?qū){米材料的需求，并給出具體的應(yīng)用實(shí)例及其原理。六、答案：電化學(xué)腐蝕基本過(guò)程通常包括：金屬失去電子成為陽(yáng)離子進(jìn)入溶液（陽(yáng)極反應(yīng)），溶液中的離子得到電子沉積在金屬表面（陰極反應(yīng)）。以海洋工程結(jié)構(gòu)鋼為例，其常見的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題是局部腐蝕（如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂）。其主要電化學(xué)機(jī)制是在腐蝕電位差驅(qū)動(dòng)下，形成微電池，點(diǎn)蝕坑內(nèi)部通常呈活化狀態(tài)，發(fā)生劇烈的陽(yáng)極溶解。有效的電化學(xué)防護(hù)措施包括：1）陰極保護(hù)（外加電流陰極保護(hù)ACCP和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)SACP），通過(guò)提供額外電子使金屬結(jié)構(gòu)成為陰極，降低腐蝕速率；2）陽(yáng)極保護(hù)，通過(guò)施加外加陽(yáng)極電流，使金屬表面鈍化。其原理分別是向金屬提供電子或使其表面形成致密鈍化膜。解析思路：本題