2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——能源催化劑設(shè)計原理及應(yīng)用研究動態(tài)解讀考試時間：______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(xiàng)填在題后的括號內(nèi)。）1.在設(shè)計用于酸性介質(zhì)（如PEMFC）的氧還原反應(yīng)催化劑時，以下哪種材料特性通常被認(rèn)為是不利的？(A)高比表面積(B)良好的導(dǎo)電性(C)高穩(wěn)定性（抗CO?中毒和H?侵蝕）(D)豐富的鈀（Pd）表面原子配位位點(diǎn)2.對于電催化反應(yīng)，提高催化劑選擇性通常意味著：(A)降低反應(yīng)過電位(B)增加反應(yīng)速率常數(shù)(C)優(yōu)先促進(jìn)目標(biāo)反應(yīng)路徑，抑制副反應(yīng)路徑(D)提高催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性3.在設(shè)計CO?電催化還原制備甲酸鹽的催化劑時，以下哪種策略有助于提高選擇性？(A)構(gòu)建具有高電子密度的活性位點(diǎn)(B)限制反應(yīng)中間體CO的進(jìn)一步氧化(C)使用具有大量暴露（100）晶面的納米顆粒(D)選擇對氧化還原電位不敏感的材料4.基于密度泛函理論（DFT）計算，調(diào)控催化劑表面活性位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)以改變其催化活性，主要通過改變：(A)晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)(B)表面吸附物的鍵合能(C)催化劑的比表面積(D)載體的物理化學(xué)性質(zhì)5.水熱法在能源催化劑制備中應(yīng)用廣泛，其主要優(yōu)勢之一在于：(A)可獲得極高純度的產(chǎn)物(B)能夠在相對低溫下進(jìn)行(C)適用于制備塊體狀宏觀催化劑(D)易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)6.設(shè)計用于氮?dú)饣罨c還原的催化劑時，常關(guān)注以下哪種元素的引入或電子結(jié)構(gòu)調(diào)控？(A)堿金屬(B)過渡金屬(C)稀土元素(D)碳納米管7.在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化過程中，使用固體酸催化劑（如SO?2?/ZrO?）相較于液體酸，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是：(A)更高的反應(yīng)速率(B)更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物分離和催化劑回收(C)更低的反應(yīng)溫度(D)更廣的適用pH范圍8.針對水電解制氫過電位高的問題，一種有效的策略是：(A)使用高成本貴金屬作為單一活性組分(B)構(gòu)建多金屬合金或核殼結(jié)構(gòu)以優(yōu)化電子態(tài)和表面性質(zhì)(C)減小催化劑顆粒尺寸至原子級別(D)忽略催化劑的長期穩(wěn)定性9.近年來，單原子催化在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域備受關(guān)注，其核心優(yōu)勢在于：(A)極高的本征催化活性(B)優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性(C)成本低廉易得(D)容易進(jìn)行大規(guī)模制備10.解讀一項(xiàng)關(guān)于光催化CO?還原為碳?xì)淙剂系淖钚卵芯繒r，關(guān)鍵的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)包括：(A)光源的波長范圍和強(qiáng)度(B)催化劑的組成、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)(C)產(chǎn)物種類、選擇性和量子效率(D)反應(yīng)機(jī)理的提出和實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.催化劑的“活性”通常用單位質(zhì)量或單位表面積的催化劑在特定條件下達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)化率所需的________來衡量。2.設(shè)計高效能源催化劑時，除了活性，還需考慮________、選擇性、穩(wěn)定性和成本效益等多個關(guān)鍵因素。3.通過調(diào)控催化劑的________（如尺寸、形貌、缺陷），可以顯著影響其表面反應(yīng)活性位點(diǎn)數(shù)量和電子結(jié)構(gòu)。4.在燃料電池中，催化劑的耐久性主要指其在長期運(yùn)行下保持________和________的能力。5.基于第一性原理計算預(yù)測，通過改變過渡金屬的________可以調(diào)節(jié)其與反應(yīng)物的吸附強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)控催化活性。6.針對CO?電催化還原，開發(fā)非貴金屬基催化劑是降低成本和推動應(yīng)用的重要方向，其中________基合金和________基氧化物是研究的熱點(diǎn)。7.設(shè)計用于生物質(zhì)催化降解的固體酸時，需要平衡其酸強(qiáng)度和________，以避免過度降解目標(biāo)分子。8.電催化研究中，Tafel斜率是表征電極反應(yīng)________的重要參數(shù)。9.“智能催化劑”的概念通常涉及催化劑性能能夠根據(jù)________條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。10.解讀研究動態(tài)時，對比不同研究策略的________和________是評估其優(yōu)劣的重要依據(jù)。三、簡答題（每小題5分，共25分。）1.簡述催化劑的“選擇性”包含哪些層次，并舉例說明。2.比較均相催化和非均相催化在能源應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡要解釋“缺陷工程”在能源催化劑設(shè)計中的作用。4.闡述設(shè)計高效電解水催化劑時，需要考慮的主要挑戰(zhàn)。5.簡述近年來生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)及其意義。四、論述題（每小題10分，共30分。）1.論述電子結(jié)構(gòu)調(diào)控在提高能源催化劑性能（如活性、選擇性）方面的作用機(jī)制。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述設(shè)計用于CO?轉(zhuǎn)化利用的高效催化劑時，應(yīng)如何綜合考慮反應(yīng)機(jī)理、材料性質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用需求。3.針對當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型背景下，選擇或開發(fā)新型能源催化劑時，你認(rèn)為面臨哪些主要的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)？請結(jié)合實(shí)例進(jìn)行闡述。---試卷答案一、選擇題1.(D)2.(C)3.(B)4.(B)5.(A)6.(B)7.(B)8.(B)9.(A)10.(C)二、填空題1.時間2.穩(wěn)定性3.結(jié)構(gòu)4.活性，選擇性5.化學(xué)成鍵/電子態(tài)6.鎳，鈷7.抗腐蝕性/穩(wěn)定性8.速率9.環(huán)境/反應(yīng)物10.有效性，可行性三、簡答題1.選擇性包含反應(yīng)選擇性（生成目標(biāo)產(chǎn)物）和區(qū)域選擇性（在分子不同位置反應(yīng)）、立體選擇性（控制產(chǎn)物構(gòu)型）等層次。例如，選擇性加氫中，使用不同的催化劑可以實(shí)現(xiàn)烯烴的飽和（加氫成烷烴）或氫化成醇。2.均相催化反應(yīng)物與催化劑在同一相中，通常活性高、選擇性好，但催化劑難以回收和重復(fù)使用，且產(chǎn)物分離困難。非均相催化催化劑為固體，易于分離回收，可重復(fù)使用，便于產(chǎn)物分離，但通常活性低于均相催化，且可能存在傳質(zhì)限制。在能源領(lǐng)域，非均相催化在電解水、CO?轉(zhuǎn)化等過程中應(yīng)用更廣，便于工業(yè)化。3.缺陷工程通過在催化劑材料中引入或調(diào)控缺陷（如空位、臺階、位錯、摻雜等），可以創(chuàng)造新的活性位點(diǎn)、改變電子結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)表面能，從而顯著影響催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。4.設(shè)計高效電解水催化劑時，主要挑戰(zhàn)包括：降低過電位以節(jié)省能量；提高長期運(yùn)行穩(wěn)定性（抗腐蝕、抗中毒）；實(shí)現(xiàn)高電流密度；降低貴金屬組分的使用或開發(fā)低成本非貴金屬催化劑；催化劑的制備成本和可擴(kuò)展性。5.近年來生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)是利用固體酸或堿催化劑進(jìn)行選擇性催化轉(zhuǎn)化，如將生物質(zhì)平臺化合物（如糠醛、5-羥甲基糠醛）轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品或燃料（如二聚甲醛、甲基乙二醇），這有助于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。四、論述題1.電子結(jié)構(gòu)調(diào)控通過改變催化劑表面活性位點(diǎn)的價電子態(tài)、吸附物的化學(xué)鍵合強(qiáng)度和反應(yīng)中間體的能量，直接影響反應(yīng)速率和選擇性。例如，通過摻雜、表面重構(gòu)或理論計算指導(dǎo)合成，可以調(diào)節(jié)金屬表面的d帶中心，優(yōu)化與反應(yīng)物的相互作用；通過調(diào)整氧化物表面的電荷狀態(tài)，可以控制酸堿催化活性位點(diǎn)。電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)催化劑“精準(zhǔn)設(shè)計”的核心手段。2.設(shè)計用于CO?轉(zhuǎn)化利用的高效催化劑時，需要綜合考慮：首先，深入理解目標(biāo)反應(yīng)（如CO?還原、偶聯(lián)反應(yīng)）的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，識別關(guān)鍵中間體和速率決定步驟；其次，根據(jù)機(jī)理要求，設(shè)計具有合適電子結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)和空間構(gòu)型的催化劑，如構(gòu)建特定的活性位點(diǎn)、調(diào)控吸附物與催化劑的相互作用能；最后，考慮實(shí)際應(yīng)用需求，如反應(yīng)條件（溫度、壓力、溶劑）、產(chǎn)物分離、催化劑的穩(wěn)定性、成本和環(huán)境影響，選擇或開發(fā)具有良好綜合性能的催化劑體系。例如，設(shè)計CO?電催化還原制備甲酸鹽的催化劑時，需構(gòu)建能優(yōu)先吸附CO?并活化其C=O鍵，同時抑制CO進(jìn)一步氧化的活性位點(diǎn)。3.新型能源催化劑的選擇或開發(fā)面臨的主要科學(xué)和工程挑戰(zhàn)包括：科學(xué)上，對復(fù)雜催化反應(yīng)機(jī)理的理解仍不深入，特別是多相催化中界面結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的量化描述不足；新材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計缺乏普適性原則，理性設(shè)計為主，經(jīng)驗(yàn)篩選為輔