2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——太陽能在能源化學(xué)領(lǐng)域的研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不屬于太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換的主要方式？A.光伏效應(yīng)發(fā)電B.光催化水分解制氫C.染料敏化太陽能電池發(fā)電D.核聚變能轉(zhuǎn)化2.在光伏電池中，為提高能量轉(zhuǎn)換效率，通常需要選擇具有合適帶隙（Eg）的半導(dǎo)體材料。下列說法中錯(cuò)誤的是？A.太陽能光譜中大部分能量集中在可見光和近紅外區(qū)，因此理想的半導(dǎo)體帶隙應(yīng)在此范圍。B.帶隙太寬，大部分太陽光子無法被吸收，效率低。C.帶隙太窄，雖然光吸收好，但光生伏特電壓低，效率也低。D.硅（Si）的帶隙約為1.1eV，是常用的光伏材料。3.光催化水分解制氫過程中，常用的半導(dǎo)體光催化劑必須具備哪些關(guān)鍵性質(zhì)？(選擇兩項(xiàng))A.光譜響應(yīng)范圍足夠?qū)?，能吸收太陽光譜中盡可能多的光子。B.具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，使光生電子-空穴對能夠有效分離。C.化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在光照和反應(yīng)環(huán)境中不易發(fā)生降解或失活。D.價(jià)格昂貴，制備成本高。4.染料敏化太陽能電池（DSSC）的核心組成部分不包括：A.光陽極（通常為多孔二氧化鈦半導(dǎo)體）B.染料敏化劑（吸收光子并傳遞電子）C.對電極（通常是鉑電極）D.電解質(zhì)（提供離子傳導(dǎo)路徑）5.有機(jī)太陽能電池（OPV）的主要優(yōu)勢之一是：A.長期穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于無機(jī)光伏器件B.制備工藝簡單，可低成本實(shí)現(xiàn)柔性、輕質(zhì)化器件C.光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以與硅基光伏電池相媲美D.對光照方向和角度不敏感6.鈣鈦礦太陽能電池（如ABX?型）近年來發(fā)展迅速，其關(guān)鍵優(yōu)勢在于：A.材料來源極其稀有，成本極高B.具有非常高的開路電壓和長壽命C.可以方便地實(shí)現(xiàn)疊層結(jié)構(gòu)，大幅提升能量轉(zhuǎn)換效率D.對濕氣環(huán)境完全免疫7.在光催化CO?還原反應(yīng)中，為提高產(chǎn)物選擇性（如生成甲烷或甲酸），通常會(huì)采取哪些策略？(選擇一項(xiàng))A.調(diào)整催化劑的pH值環(huán)境。B.使用不同類型的助催化劑。C.改變光源的波長。D.以上都是。8.太陽能驅(qū)動(dòng)的水分解制氫過程中，電解水的效率受哪些因素主要影響？(選擇兩項(xiàng))A.太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。B.電解槽的電極材料和結(jié)構(gòu)。C.電解液的種類和濃度。D.大氣環(huán)境溫度。9.將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（如氫能、燃料）的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是：A.太陽光能的總量巨大，取之不盡。B.轉(zhuǎn)換效率目前仍相對較低，成本有待降低。C.相關(guān)催化劑的長期穩(wěn)定性有待提高。D.存在豐富的化石燃料作為替代。10.能源化學(xué)領(lǐng)域研究太陽能的一個(gè)重要交叉點(diǎn)是：A.天文學(xué)中的恒星能量模型B.生物體內(nèi)的光合作用機(jī)制C.建筑工程中的隔熱技術(shù)D.計(jì)算機(jī)科學(xué)中的算法優(yōu)化二、填空題（每空1分，共15分）1.太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是指______與______之比。2.光催化反應(yīng)通常需要在______或______條件下進(jìn)行。3.常用的硅基太陽能電池有______和______兩種主要類型。4.在染料敏化太陽能電池中，染料分子吸收光能后，會(huì)將電子注入到______中。5.有機(jī)太陽能電池中的活性層通常由______和______復(fù)合形成。6.鈣鈦礦太陽能電池的ABX?結(jié)構(gòu)中，X位通常由______元素填充。7.光催化水分解制氫的總體反應(yīng)式為：______。8.為提高光催化劑的光譜響應(yīng)范圍，可以采用______或______等方法。9.太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性通常指其在______和______條件下的持久工作能力。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述光伏效應(yīng)的基本原理。2.簡述光催化水分解制氫反應(yīng)機(jī)理中的Z-scheme模型。3.簡述影響有機(jī)太陽能電池（OPV）光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素。4.簡述太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)相比傳統(tǒng)化石能源的優(yōu)勢。四、計(jì)算題（共10分）某太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（AM1.5G，1000W/m2，25°C）測得短路電流密度Jsc為30mA/cm2，開路電壓Voc為0.6V，填充因子FF為0.75。請計(jì)算該電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的能量轉(zhuǎn)換效率。五、論述題（共15分）當(dāng)前太陽能化學(xué)領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？請結(jié)合具體實(shí)例，論述提高太陽能轉(zhuǎn)化效率（特別是光催化過程）的潛在技術(shù)途徑。試卷答案一、選擇題1.D2.A3.B,C4.D5.B6.C7.D8.A,B9.B10.B二、填空題1.太陽能電池產(chǎn)生的電功率；入射到太陽能電池上的太陽光功率2.光照；化學(xué)環(huán)境3.單晶硅；多晶硅4.半導(dǎo)體光陽極5.給體；受體6.碳7.2H?O+2hν→2H?↑+O?↑8.合成寬帶隙半導(dǎo)體；進(jìn)行半導(dǎo)體敏化修飾9.光照；化學(xué)反應(yīng)三、簡答題1.光伏效應(yīng)原理：當(dāng)光子照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，如果光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，光子會(huì)被吸收，并在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。由于半導(dǎo)體內(nèi)部存在內(nèi)建電場（P-N結(jié)），這些光生載流子（電子和空穴）會(huì)被分離，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，從而在半導(dǎo)體的兩端形成光生電壓和光生電流。2.Z-scheme光催化水分解機(jī)理：該模型涉及兩個(gè)不同的半導(dǎo)體半導(dǎo)體或半導(dǎo)體-金屬組合。一個(gè)半導(dǎo)體的光生電子被另一個(gè)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶接受，同時(shí)第一個(gè)半導(dǎo)體的價(jià)帶空穴被第二個(gè)半導(dǎo)體的價(jià)帶電子所填補(bǔ)。這樣，光生電子和空穴在兩個(gè)半導(dǎo)體的界面被有效分離。其中一個(gè)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子可以用于還原溶解在水中的氧化劑（如溶解氧），或在助催化劑的幫助下還原水分子生成氫氣；其價(jià)帶空穴可以氧化還原劑（如水）生成氧氣，或在助催化劑幫助下氧化水生成氧氣。通過這種電子和空穴的“Z”字形轉(zhuǎn)移路徑，實(shí)現(xiàn)了光生載流子的有效分離和利用，從而驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)。3.影響OPV效率的因素：①光吸收能力：活性層材料需要吸收盡可能寬光譜范圍的太陽光，尤其是近紅外區(qū)域。②電荷產(chǎn)生與傳輸：材料需要高效地將吸收的光子轉(zhuǎn)化為光生電荷，并且電荷能在活性層中快速傳輸?shù)诫姌O。③電荷分離與復(fù)合：光生電子和空穴在傳輸?shù)诫姌O之前應(yīng)盡可能分離，并減少復(fù)合。④器件結(jié)構(gòu)：活性層厚度、電極透明度、界面接觸等都會(huì)影響光吸收和電荷傳輸。⑤能級匹配：活性層材料給體和受體的能級應(yīng)優(yōu)化匹配，以利于電荷注入和提取。4.太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的優(yōu)勢：①可再生性：太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，利用太陽能轉(zhuǎn)化可以減少對有限化石燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展。②清潔環(huán)保：太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化過程通常不產(chǎn)生溫室氣體或其他污染物，有助于緩解環(huán)境問題。③原料來源廣泛：許多太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化所用的催化劑和原料（如水、CO?）來源豐富且廉價(jià)。④系統(tǒng)靈活性：可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建不同的太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，用于制備氫能、燃料、化學(xué)品等。四、計(jì)算題解：太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率η可以用以下公式計(jì)算：η=(Jsc*Voc*FF)/Pmax其中Pmax=Jsc*Voc*FF是最大輸出功率密度。代入題目數(shù)據(jù)：η=(30mA/cm2*0.6V*0.75)/(30mA/cm2*0.6V)η=0.135/0.18η=0.75將結(jié)果轉(zhuǎn)換為百分比：η=0.75*100%=75%答：該電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的能量轉(zhuǎn)換效率為75%。五、論述題當(dāng)前太陽能化學(xué)領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①光能轉(zhuǎn)換效率有待進(jìn)一步提高：特別是光催化過程，其量子效率往往不高，很多吸收的光子未能有效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。②穩(wěn)定性不足：許多光催化劑和太陽能電池器件在光照、水分、氧氣等長期運(yùn)行條件下容易失活或性能衰減。③選擇性控制困難：尤其是在多組分反應(yīng)或CO?還原反應(yīng)中，實(shí)現(xiàn)高選擇性產(chǎn)物往往很具挑戰(zhàn)性。④成本問題：一些高效太陽能化學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵材料成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。提高太陽能轉(zhuǎn)化效率的潛在技術(shù)途徑：①優(yōu)化光催化劑：通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開發(fā)具有更寬光譜響應(yīng)、更高光吸收系數(shù)、更合適能帶結(jié)構(gòu)、更好電荷分離和傳輸能力、更高穩(wěn)定性的新型光催化劑。例如，設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、缺陷工程、摻雜、構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、異質(zhì)結(jié)）等來增強(qiáng)光吸收和電荷分離。②改進(jìn)太陽能電池結(jié)構(gòu)：優(yōu)化器件能級結(jié)構(gòu)，減少電荷復(fù)合；提高電極材料的透明度和導(dǎo)電性；設(shè)計(jì)更有效的光捕獲結(jié)構(gòu)，延長光在活性層中的