2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——碳基復(fù)合材料在能源存儲(chǔ)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)，每題2分，共20分）1.下列哪種碳材料通常具有超高的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性，被認(rèn)為是制備高性能超級(jí)電容器電極材料的理想選擇？A.金剛石B.石墨C.碳納米管D.富勒烯2.在鋰離子電池中，使用石墨作為負(fù)極材料，其儲(chǔ)存鋰離子的主要機(jī)理是：A.鈉離子嵌入B.鈦酸鋰轉(zhuǎn)化C.石墨層狀結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮D.氧化還原反應(yīng)3.為了提高鋰離子電池正極材料的循環(huán)壽命，常通過摻雜元素來改善其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以下哪種元素?fù)诫s通常有助于提高層狀氧化物正極材料的循環(huán)性能？A.鋁(Al)B.鈰(Ce)C.鈦(Ti)D.硫(S)4.碳基復(fù)合材料在鋰硫電池中主要起到的作用之一是：A.提供大量的鋰源B.作為高效的氧化劑C.牢牢固定多硫化物，抑制其穿梭效應(yīng)D.增加電池的初始庫侖效率5.活性炭材料在超級(jí)電容器中表現(xiàn)良好，其主要得益于其獨(dú)特的性質(zhì)：A.高的離子電導(dǎo)率B.優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度C.超高的比表面積和合適的孔結(jié)構(gòu)D.極低的成本6.在制備碳納米管/聚合物復(fù)合電極材料時(shí)，使用強(qiáng)酸（如濃硫酸/硝酸）進(jìn)行酸洗的主要目的是：A.增加碳納米管的長(zhǎng)度B.去除碳納米管表面的雜質(zhì)，提高其表面能C.將碳納米管氧化成氧化物D.增強(qiáng)聚合物基體的導(dǎo)電性7.影響碳基復(fù)合材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一是材料的比表面積，通常通過以下哪個(gè)指標(biāo)來衡量？A.熵B.熔點(diǎn)C.比表面積D.折射率8.與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)在電池中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一是：A.更高的能量密度B.更低的成本C.更高的安全性，不易燃易爆D.更好的離子電導(dǎo)率9.碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料在用于燃料電池的氣體擴(kuò)散層時(shí)，主要利用了碳纖維的哪種特性？A.高導(dǎo)電性B.高導(dǎo)熱性C.良好的氣體滲透性和機(jī)械支撐性D.耐腐蝕性10.下列哪種方法不屬于常用的碳基復(fù)合材料制備技術(shù)？A.化學(xué)氣相沉積法B.溶劑萃取法C.模板法D.等離子體增強(qiáng)沉積法二、填空題（請(qǐng)將正確答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳材料，其獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)源于其優(yōu)異的__________和__________。2.在鋰離子電池中，正極材料失去電子發(fā)生__________過程，負(fù)極材料得到電子發(fā)生__________過程。3.碳基復(fù)合材料在超級(jí)電容器中主要貢獻(xiàn)能量的是通過雙電層電容機(jī)制和__________電容機(jī)制。4.為了提高碳基負(fù)極材料在鋰離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性，通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行__________處理，以增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。5.固態(tài)電解質(zhì)通?？梢苑譃殡x子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體和__________導(dǎo)體三大類。6.碳納米管可以分為單壁碳納米管和__________碳納米管。7.雜原子（如氮、硫、磷）摻雜到碳材料中，可以改變其電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控其__________和催化性能。8.碳基復(fù)合材料在能源存儲(chǔ)中的應(yīng)用面臨著成本高、規(guī)?；苽潆y、循環(huán)壽命短等挑戰(zhàn)。9.除了電化學(xué)儲(chǔ)能，碳材料還在__________、__________等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。10.評(píng)估碳基復(fù)合材料電極材料性能的常用電化學(xué)測(cè)試方法包括循環(huán)伏安法、__________和計(jì)時(shí)電流法。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問題，每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述碳納米管的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能性能的影響。2.比較石墨烯和碳納米管在超級(jí)電容器應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述碳基復(fù)合材料在鋰離子電池中作為負(fù)極材料時(shí)，面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？并簡(jiǎn)要說明解決這些挑戰(zhàn)的思路。4.解釋什么是“穿梭效應(yīng)”，并說明碳基材料如何應(yīng)用于鋰硫電池中以抑制穿梭效應(yīng)。5.簡(jiǎn)述提高碳基復(fù)合材料能源存儲(chǔ)性能的常見策略。四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，對(duì)下列問題進(jìn)行較為深入的論述，每題10分，共20分）1.論述碳基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)（如結(jié)構(gòu)調(diào)控、雜原子摻雜、復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）對(duì)其在鋰離子電池中應(yīng)用性能的影響。2.闡述碳基復(fù)合材料在下一代能源存儲(chǔ)技術(shù)（如固態(tài)電池、鈉離子電池、氫能存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化）中可能扮演的角色和面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.B7.C8.C9.C10.B解析思路1.碳納米管具有極高的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性，有利于電荷快速傳輸和存儲(chǔ)，是超級(jí)電容器電極的理想材料。金剛石導(dǎo)電性差，石墨雖然比表面積尚可但導(dǎo)電性優(yōu)于表面積優(yōu)勢(shì)，富勒烯比表面積較小。2.石墨的層狀結(jié)構(gòu)使其能夠在鋰離子嵌入/脫出時(shí)發(fā)生體積膨脹/收縮，通過Li-C鍵的形成和斷裂來儲(chǔ)存鋰。3.鈦離子可以嵌入到層狀氧化物晶格中，替代部分金屬陽離子，形成穩(wěn)定的鈦位，從而抑制層狀結(jié)構(gòu)在脫鋰過程中的分解，提高循環(huán)穩(wěn)定性。鋁通常用于摻雜層狀氧化物表面以形成致密層阻止鋰離子遷移；鈰是稀土元素，通常用于正極材料改性或作為催化劑；硫是鋰硫電池的活性物質(zhì)。4.碳基復(fù)合材料（尤其是多孔碳）具有大的比表面積和豐富的孔隙，可以物理吸附和化學(xué)固定穿梭到電解液中的多硫化物，限制其遷移，從而提高電池循環(huán)壽命和庫侖效率。5.超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)主要依賴于電極材料提供的高比表面積，使得電解質(zhì)離子能夠快速在巨大的表面雙電層中積累。6.酸洗可以有效去除碳納米管表面由制備過程帶來的催化劑殘留、金屬雜質(zhì)以及石墨的邊緣缺陷等，獲得更純凈、更規(guī)整的碳納米管，并可能暴露更多含氧官能團(tuán)，影響其與其他材料的相互作用。7.比表面積是衡量材料單位質(zhì)量或單位體積所具有的表面積大小的物理量，直接關(guān)系到物質(zhì)與外界（如電解液）的接觸面積，對(duì)依賴表面相互作用的儲(chǔ)能過程至關(guān)重要。8.固態(tài)電解質(zhì)的主要優(yōu)勢(shì)在于取代了易燃易爆的液態(tài)電解液，大大提高了電池的安全性，避免了漏液、燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。9.碳纖維具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但其作為氣體擴(kuò)散層（GDL）的關(guān)鍵作用在于其高孔隙率和低阻力，能夠允許反應(yīng)氣體（如氫氣、氧氣）高效擴(kuò)散，同時(shí)提供機(jī)械支撐，并傳導(dǎo)電荷。機(jī)械支撐和氣體滲透性更為關(guān)鍵。10.模板法通常用于制備具有特定孔道結(jié)構(gòu)或形貌的材料，化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)沉積法是常用的制備薄膜或納米結(jié)構(gòu)材料的方法。溶劑萃取法主要用于材料純化或分離，而非制備復(fù)合材料本身。二、填空題1.大比表面積，優(yōu)異導(dǎo)電性2.氧化，還原3.法拉第（贗電容）4.碳化，石墨化，或表面改性（如氧化）5.固體電解質(zhì)6.多壁7.電化學(xué)活性8.制備與應(yīng)用9.光電催化，傳感器10.恒電流充放電解析思路1.石墨烯的二維結(jié)構(gòu)和巨大的表面積賦予其獨(dú)特的電學(xué)和物理性質(zhì)。高比表面積提供了巨大的電極/電解質(zhì)接觸面積，有利于電荷存儲(chǔ)；優(yōu)異的導(dǎo)電性確保了電荷能夠快速在材料內(nèi)部傳輸。2.鋰離子電池的工作原理是鋰離子在充放電過程中在正負(fù)極材料之間可逆地嵌入和脫出，這個(gè)過程伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。正極發(fā)生氧化反應(yīng)（失去電子），負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)（得到電子）。3.超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制主要包括兩種：雙電層電容（EDLC）機(jī)制，在電極表面與電解質(zhì)之間形成雙電層，通過離子的物理吸附/脫附存儲(chǔ)電荷；贗電容（Supercapacitor）機(jī)制，涉及電極材料表面或近表面的快速、可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)來存儲(chǔ)電荷。4.碳基負(fù)極材料（如石墨）在鋰離子嵌入時(shí)會(huì)發(fā)生較大的體積膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粉化，循環(huán)壽命降低。對(duì)其進(jìn)行碳化（提高sp2碳含量和石墨化程度）或石墨化處理可以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)骨架。表面改性，如引入官能團(tuán)或進(jìn)行氧化處理，也能增加其與鋰的相互作用，提高穩(wěn)定性。5.根據(jù)導(dǎo)電粒子傳輸離子的方式，固態(tài)電解質(zhì)可分為三類：離子導(dǎo)體（主要依靠離子遷移導(dǎo)電，如Li7La3Zr2O12）；電子導(dǎo)體（主要依靠電子遷移導(dǎo)電，如碳材料）；混合導(dǎo)體（同時(shí)依靠離子和電子遷移導(dǎo)電）。6.根據(jù)碳納米管壁的數(shù)目，可分為單壁碳納米管（SWCNT，僅一層碳原子層）和多壁碳納米管（MWCNT，多層碳原子層堆疊）。7.雜原子（N,S,P等）的引入可以改變碳材料的局部電子結(jié)構(gòu)，引入缺陷態(tài)或能級(jí)，從而影響其吸附特性、電荷轉(zhuǎn)移速率、電導(dǎo)率，甚至表現(xiàn)出獨(dú)特的催化活性，這些都直接關(guān)系到其電化學(xué)性能。8.盡管碳基復(fù)合材料在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域具有巨大潛力，但其制備過程（如使用貴金屬催化劑、復(fù)雜工藝）導(dǎo)致成本較高，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，此外，其在高電壓、長(zhǎng)循環(huán)或極端環(huán)境下的穩(wěn)定性仍面臨挑戰(zhàn)。9.碳材料的應(yīng)用遠(yuǎn)不止能源存儲(chǔ)，其在光電器件（如太陽能電池、傳感器）、催化領(lǐng)域（如CO2還原、有機(jī)合成）、環(huán)境保護(hù)（如水處理、空氣凈化）、復(fù)合材料增強(qiáng)等方面都有重要應(yīng)用。10.常用的電化學(xué)測(cè)試方法包括：循環(huán)伏安法（CV，用于評(píng)估電極反應(yīng)可逆性和kinetics）；恒電流充放電（GCD，用于評(píng)估電池的能量/功率密度、循環(huán)壽命、倍率性能）；計(jì)時(shí)電流法（EIS，用于研究電極過程的電化學(xué)阻抗）。三、簡(jiǎn)答題1.碳納米管（CNT）具有中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)，由單層或多層石墨烯片卷曲而成。其直徑通常在納米尺度（幾納米到幾十納米），長(zhǎng)度可以從納米到微米甚至更長(zhǎng)。這種結(jié)構(gòu)使其具有極高的長(zhǎng)徑比，帶來了優(yōu)異的力學(xué)性能（高模量、高強(qiáng)度）、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及獨(dú)特的電子特性。在電化學(xué)儲(chǔ)能中，高長(zhǎng)徑比有利于CNT形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)電荷快速傳輸；大長(zhǎng)徑比和管壁上的缺陷、邊緣位點(diǎn)為電解質(zhì)離子的吸附和擴(kuò)散提供了豐富的活性位點(diǎn)；中空結(jié)構(gòu)也提供了儲(chǔ)氫或容納其他離子的空間；其獨(dú)特的機(jī)械性能也有助于提高電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.石墨烯和碳納米管都是高性能碳基電極材料，各有優(yōu)劣。石墨烯具有極高的比表面積（理論值無限大）、完美的二維平面結(jié)構(gòu)，離子可以在其表面快速移動(dòng)，理論上具有極高的倍率性能和能量密度。但其優(yōu)異的層間范德華力使其容易團(tuán)聚，難以形成均勻穩(wěn)定的電極，導(dǎo)致實(shí)際比表面積遠(yuǎn)低于理論值，限制了其應(yīng)用。碳納米管是三維的管狀結(jié)構(gòu)，具有高比表面積（通常在1000-2000m2/g）、優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，易于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于電荷傳輸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但其比表面積通常低于石墨烯，且管狀結(jié)構(gòu)可能限制離子在內(nèi)部的擴(kuò)散路徑。此外，單壁碳納米管的生產(chǎn)成本較高。3.碳基復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1）鋰離子嵌入/脫出過程中較大的體積膨脹（可達(dá)300-400%）導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)粉化，循環(huán)穩(wěn)定性差；2）碳材料與電解液界面反應(yīng)（SEI膜形成）不穩(wěn)定，消耗鋰離子，增加內(nèi)阻，降低庫侖效率；3）部分碳材料（如石墨）嵌鋰電位較低，容易形成鋰金屬枝晶，存在安全隱患；4）對(duì)于高電壓體系，碳材料的穩(wěn)定性可能下降。解決這些挑戰(zhàn)的思路包括：設(shè)計(jì)具有高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的碳材料（如雜原子摻雜、形成納米結(jié)構(gòu)、使用碳纖維增強(qiáng)等）；構(gòu)建穩(wěn)定的SEI膜；開發(fā)新的高電壓、高容量正極材料以匹配；優(yōu)化電解液配方；采用固態(tài)電解質(zhì)等。4.穿梭效應(yīng)是指鋰硫電池在充放電過程中，活性物質(zhì)——多硫化物（Li2Sx，x=1-8）溶解在液態(tài)電解液中，并在電極之間遷移，導(dǎo)致電池容量衰減、電壓平臺(tái)不穩(wěn)定、循環(huán)壽命急劇縮短的現(xiàn)象。碳基復(fù)合材料（如多孔碳）可以應(yīng)用于鋰硫電池中以抑制穿梭效應(yīng)：1）其巨大的比表面積和合適的孔結(jié)構(gòu)（微孔、介孔）可以物理吸附和化學(xué)固定溶解的多硫化物，限制其在電解液中的自由遷移；2）多孔結(jié)構(gòu)為多硫化物的轉(zhuǎn)化提供了反應(yīng)場(chǎng)所，促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Li2S沉淀，并有助于其嵌入到碳材料中；3）碳材料本身也可以作為鋰金屬負(fù)極的保護(hù)層，進(jìn)一步抑制多硫化物的穿梭和鋰枝晶的生長(zhǎng)。5.提高碳基復(fù)合材料能源存儲(chǔ)性能的常見策略包括：1）結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過改變碳材料的形貌（如納米管、納米片、石墨烯、0D/1D/2D/3D復(fù)合結(jié)構(gòu)）和尺寸來優(yōu)化其比表面積、孔隙率、離子擴(kuò)散路徑和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；2）雜原子摻雜：引入N、S、P、B等雜原子到碳骨架中，可以改變其電子結(jié)構(gòu)、引入缺陷態(tài)、調(diào)節(jié)表面能，從而增強(qiáng)對(duì)離子的吸附能力、改善電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)、提高材料本身的電化學(xué)活性；3）復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將碳材料與其他高性能材料（如金屬氧化物、硫化物、導(dǎo)電聚合物、粘結(jié)劑等）復(fù)合，形成協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，例如氧化物提供高容量/活性位點(diǎn)，碳材料提供高導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)支撐；4）表面改性：通過氧化、功能化等手段在碳材料表面引入含氧官能團(tuán)或特定的化學(xué)環(huán)境，以調(diào)節(jié)其與電解液的相互作用，構(gòu)建穩(wěn)定的SEI膜，提高庫侖效率和循環(huán)壽命。四、論述題1.碳基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)對(duì)其在鋰離子電池中的應(yīng)用性能具有決定性的影響。首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。碳材料的形貌（如二維的石墨烯片、一維的碳納米管、零維的納米點(diǎn)或量子點(diǎn)）直接決定了其比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和離子擴(kuò)散通道的長(zhǎng)度與寬度。高比表面積有利于提供更多的活性位點(diǎn)，增加容量；合適的孔結(jié)構(gòu)（如介孔）有利于電解液浸潤(rùn)和離子的快速傳輸，同時(shí)也能容納體積膨脹；良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是保證快速充放電和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。其次，組分設(shè)計(jì)同樣關(guān)鍵。在復(fù)合材料中，碳基體與負(fù)載的其他組分（如金屬氧化物、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑）之間的協(xié)同作用非常重要。例如，負(fù)載的高容量正極材料或高導(dǎo)電性組分可以提升整體電極的性能；碳基體作為載體和導(dǎo)電骨架，可以支撐活性物質(zhì)，傳遞電子，并吸收體積變化。第三，雜原子摻雜策略可以精確調(diào)控碳材料的電子結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。通過摻雜N、S、P等元素，可以在碳基體中引入缺陷態(tài)或活性位點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)鋰離子的吸附能力，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，甚至引入贗電容效應(yīng)，從而顯著提高材料的容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。最后，復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將不同材料的優(yōu)勢(shì)集于一身。例如，構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)（如氧化物核-碳?xì)ぃ┛梢员ＷC活性物質(zhì)的高效利用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)利用碳?xì)さ母邔?dǎo)電性；構(gòu)建3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如碳纖維/碳納米管編織體）可以提供優(yōu)異的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)具有高孔隙率?？傊?，通過對(duì)碳基材料的結(jié)構(gòu)、組分、摻雜和復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池電極材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化。2.碳基復(fù)合材料在下一代能源存儲(chǔ)技術(shù)中扮演著重要角色，同時(shí)也面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在固態(tài)電池領(lǐng)域，碳基材料可以作為固態(tài)電解質(zhì)（如聚陰離子型固態(tài)電解質(zhì)中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)組分）、電極材料（如固態(tài)電池負(fù)極中需要高鋰離子擴(kuò)散速率