2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子設計與制備在環(huán)境工程中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在設計用于去除水體中重金屬離子的吸附劑時，以下哪種分子識別機制通常不被優(yōu)先考慮？A.離子交換B.氫鍵作用C.共價鍵結(jié)合D.π-π堆積相互作用2.下列哪種材料因其優(yōu)異的光催化活性，常被用于設計用于降解有機污染物的分子篩？A.活性炭B.二氧化硅C.二氧化鈦D.氧化鐵3.分子印跡技術(shù)制備的環(huán)境污染物檢測傳感器，其核心優(yōu)勢在于？A.成本極低B.可重復使用性強C.高特異性和選擇性D.對環(huán)境穩(wěn)定性好4.設計用于空氣污染物（如NOx）凈化的分子基催化劑時，通常需要考慮的關(guān)鍵因素不包括？A.催化劑的比表面積B.氧氣分子的活化能力C.催化劑的熱穩(wěn)定性D.污染物在催化劑表面的擴散速率5.下列哪種方法不屬于典型的“自上而下”的納米材料制備策略？A.薄膜蒸發(fā)B.機械剝離C.電化學沉積D.原子層沉積6.在設計用于土壤修復的光動力療法（PhotodynamicTherapy,PDT）分子時，必須考慮的關(guān)鍵組分是？A.氧氣B.光敏劑C.金屬催化劑D.還原劑7.用于制備環(huán)境友好型高分子材料進行污染物吸附時，其分子設計應優(yōu)先考慮？A.高分子鏈的柔順性B.高分子鏈的交聯(lián)密度C.高分子基體的生物降解性D.高分子在水中的溶解度8.分子組裝體在環(huán)境工程應用中，其結(jié)構(gòu)特征（如孔道大小、表面化學性質(zhì)）主要由什么決定？A.組裝單元的形狀B.組裝單元的相互作用力C.宏觀反應器的類型D.加熱溫度9.對于設計用于水體中磷酸鹽去除的緩釋磷肥，其分子或結(jié)構(gòu)設計應重點考慮？A.快速溶解性B.在特定pH條件下的磷釋放速率C.高溫下的穩(wěn)定性D.陽離子交換能力10.下列哪項技術(shù)最常用于制備具有精確孔道結(jié)構(gòu)和尺寸分布的分子篩材料，用于高效吸附或分離？A.微波輻射聚合B.溶膠-凝膠法C.骨架轉(zhuǎn)換法D.模板法二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題橫線上）1.分子設計與制備在環(huán)境工程中，旨在通過______或______的手段，創(chuàng)造出具有特定功能的新型分子或材料，以解決環(huán)境污染問題。2.利用功能分子識別污染物分子，并通過______作用將其捕獲或轉(zhuǎn)化的技術(shù)，是分子吸附去除污染物的核心原理。3.在分子基光催化劑的設計中，提高其對特定污染物降解所需波長光（如可見光）的______是關(guān)鍵途徑之一。4.分子印跡聚合物（MIPs）具有______的特性，使其在環(huán)境檢測領域具有獨特優(yōu)勢。5.設計用于降解持久性有機污染物（POPs）的分子催化劑時，需要考慮其能否在環(huán)境條件下有效______POPs分子中的化學鍵。6.原子層沉積（ALD）技術(shù)因其______和______的特點，在制備高性能、超薄功能薄膜方面得到廣泛應用。7.將分子識別與______技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對污染物進行選擇性富集和定量分析。8.設計用于土壤修復的植物生長促進劑時，分子設計應考慮其能被植物有效吸收，并能______土壤中的污染物毒性。9.分子自組裝過程通常受到______、______和______等多種因素的調(diào)控。10.通過分子設計降低材料的能耗和環(huán)境影響，發(fā)展______是分子科學與工程在環(huán)境領域的重要發(fā)展方向。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.分子識別2.功能材料3.光催化活性4.生物相容性5.自組裝四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述設計用于去除水中鉛離子的分子吸附劑時，需要考慮的主要結(jié)構(gòu)設計因素。2.比較光催化降解和化學催化降解處理有機污染物的主要區(qū)別。3.簡述分子印跡技術(shù)在制備環(huán)境污染物檢測傳感器時的基本原理。4.列舉至少三種可用于制備環(huán)境友好型吸附劑材料的分子設計策略。五、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子設計在提高環(huán)境污染物檢測方法的選擇性和靈敏度方面的作用。2.結(jié)合具體實例，論述設計用于去除水體中氮磷污染物的緩釋型功能材料的重要性及其面臨的挑戰(zhàn)。六、實驗設計題（10分）設計一個簡單的實驗方案，用于初步篩選幾種不同類型的分子吸附劑對水中Cr(VI)的吸附性能。請說明需要使用的材料、主要步驟、需要測量的指標以及如何比較不同吸附劑的性能。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.A5.B6.B7.C8.B9.B10.D二、填空題1.化學合成；分子組裝2.特異性（或：選擇性）3.光譜響應范圍（或：光吸收）4.特異性（或：選擇性）5.活化6.分層沉積；自限制性（或：自停止）7.光譜技術(shù)（或：傳感技術(shù)）8.降低（或：減輕）9.化學性質(zhì)；相互作用力；環(huán)境條件10.綠色化學（或：可持續(xù)化學）三、名詞解釋1.分子識別是指利用分子間相互作用的特異性，使一種分子（識別體）能夠選擇性地識別、結(jié)合或捕獲另一種分子（客體）的過程。在環(huán)境工程中，通常指利用功能分子或材料選擇性地與污染物分子相互作用。2.功能材料是指具有特定功能或用途，并且其性能可以通過分子或結(jié)構(gòu)設計進行調(diào)控的材料。在環(huán)境工程中，指那些能夠用于污染物檢測、吸附、催化降解、修復等特定環(huán)境應用目的的材料。3.光催化活性是指光催化劑在光照條件下，促進環(huán)境污染物發(fā)生化學轉(zhuǎn)化（如降解、礦化）的能力。通常以污染物去除率、礦化程度或中間產(chǎn)物生成速率來衡量。4.生物相容性是指材料與生物體接觸時，不會引起嚴重的排斥反應、毒性或免疫反應，能夠在生物環(huán)境中穩(wěn)定存在的性質(zhì)。對于環(huán)境修復材料，特別是用于土壤或水體修復的材料，生物相容性是一個重要考量因素。5.自組裝是指分子、超分子或納米粒子等基本單元，通過分子間相互作用（如范德華力、氫鍵、靜電作用等）自發(fā)地、有序地排列成更高級別結(jié)構(gòu)（如膠束、囊泡、超晶格、納米管等）的過程，無需外部宏觀干預。四、簡答題1.設計用于去除水中鉛離子的分子吸附劑時，需要考慮的主要結(jié)構(gòu)設計因素包括：*高親和力識別位點：設計能夠與鉛離子（Pb2?）形成強而選擇性結(jié)合的官能團，如含氧酸根（-COO?,-OH）、含硫基團（-SH,-S2?）、含氮基團（-NH?,-NO?）等，利用離子交換、配位作用等機制。*合適的孔道結(jié)構(gòu)和尺寸：孔道大小應能容納鉛離子，并有利于其擴散進入吸附劑內(nèi)部，同時防止其他干擾離子（如Ca2?,Mg2?）的競爭吸附。*良好的水溶性或親水性：確保吸附劑能夠在水相中有效分散或溶脹，利于鉛離子的接觸和吸附。*足夠的比表面積：提供更多的吸附位點，提高吸附容量。*穩(wěn)定性：在水環(huán)境中化學穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易降解或流失，具有良好的循環(huán)使用性能。*生物相容性（如適用）：如果吸附劑用于飲用水處理或可能與生物體接觸，需要考慮其生物安全性。2.光催化降解和化學催化降解處理有機污染物的主要區(qū)別：*能量來源：光催化降解利用光能（通常是太陽能或可見光）作為驅(qū)動能源，而化學催化降解利用化學能（如電能、化學還原劑/氧化劑的氧化能）作為驅(qū)動能源。*催化劑類型：光催化劑通常是半導體材料（如TiO?,ZnO），通過吸收光子產(chǎn)生光生電子-空穴對引發(fā)反應；化學催化劑通常是金屬或金屬氧化物（如Pt,Pd,Fe3?）。*反應機制：光催化降解涉及光激發(fā)、電荷分離、表面反應等多個步驟，可能包括自由基鏈式反應；化學催化降解通過催化劑表面活性位點與污染物發(fā)生直接或間接的氧化還原反應。*條件要求：光催化降解通常在光照條件下進行，對光源有要求；化學催化降解對光源無要求，但可能需要加熱或加入化學試劑。*產(chǎn)物：理想情況下，光催化降解和化學催化降解都旨在將有機污染物完全礦化為CO?和H?O；但實際操作中，可能存在選擇性，產(chǎn)生中間產(chǎn)物或難以降解的衍生物。光催化通常被認為更傾向于礦化。3.分子印跡技術(shù)在制備環(huán)境污染物檢測傳感器時的基本原理：*首先，將目標污染物分子（印跡分子）與具有高反應活性的功能單體在適當?shù)娜軇┲谢旌稀?引入交聯(lián)劑，使功能單體在印跡分子周圍通過共價鍵或非共價鍵形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時鎖定印跡分子的空間構(gòu)象，形成分子印跡聚合物（MIPs）。*交聯(lián)完成后，通過溶劑洗脫等方式去除目標污染物分子，留下與印跡分子形狀、尺寸和結(jié)合位點精確匹配的空腔結(jié)構(gòu)。*當將待測樣品（可能含有目標污染物分子）與制備好的MIPs接觸時，目標污染物分子會特異性地進入MIPs的空腔內(nèi)，并與結(jié)合位點結(jié)合。*這種結(jié)合過程會引起MIPs宏觀性能的變化（如光譜性質(zhì)、電化學信號、質(zhì)譜響應等）。*通過檢測這種可測量的信號變化，即可實現(xiàn)對目標污染物分子的特異性識別和定量檢測。4.制備環(huán)境友好型吸附劑材料的分子設計策略：*利用可再生生物質(zhì)資源：將天然高分子（如纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖）進行化學修飾或功能化，引入污染物吸附所需的官能團，同時保留其生物可降解性。*設計可降解的合成高分子：選擇聚酯、聚酰胺等可在特定環(huán)境條件下（如光、水、酶作用）降解的聚合物，并在分子鏈中引入吸附位點。*構(gòu)建智能響應型材料：設計分子結(jié)構(gòu)，使其吸附性能能夠響應環(huán)境刺激（如pH、溫度、光照、特定離子存在），實現(xiàn)吸附與釋放的調(diào)控，提高效率并減少二次污染。*引入納米結(jié)構(gòu)單元：將具有高吸附活性的納米粒子（如金屬氧化物納米顆粒、碳納米管、MOFs納米晶體）作為核心或載體，通過表面修飾或嵌入到可降解基質(zhì)中，提高吸附容量和效率，并考慮其最終降解行為。*優(yōu)化材料形態(tài)：設計具有高比表面積和開放孔道的材料結(jié)構(gòu)（如多孔聚合物、納米纖維），有利于污染物分子擴散和吸附。五、論述題1.分子設計在提高環(huán)境污染物檢測方法的選擇性和靈敏度方面的作用：*提高選擇性：環(huán)境樣品通常復雜多樣，含有大量共存離子和有機物。通過分子設計，可以構(gòu)建具有特定識別位點的分子探針或傳感器。例如，設計具有特定空間構(gòu)象和官能團的分子印跡聚合物（MIPs），使其能夠與目標污染物分子形成高度特異性的識別作用（分子識別），從而有效排除干擾物的影響。此外，利用手性分子設計合成立體選擇性識別劑，可以檢測環(huán)境中的手性污染物（如某些農(nóng)藥、藥物代謝物），區(qū)分其對映異構(gòu)體。通過精確調(diào)控分子結(jié)構(gòu)，還可以實現(xiàn)對特定同分異構(gòu)體或結(jié)構(gòu)類似物的選擇性檢測。*提高靈敏度：靈敏度是指檢測方法能夠識別和量化痕量污染物的能力。分子設計可以通過以下途徑提高靈敏度：*增強識別相互作用：設計能夠與目標污染物分子形成強結(jié)合作用（如強配位鍵、多重氫鍵、π-π堆積）的識別單元，增大目標物在檢測界面或識別位點的濃度，從而增強信號響應。*構(gòu)建信號放大體系：將識別環(huán)節(jié)與信號放大機制相結(jié)合進行設計。例如，設計分子探針，其識別目標污染物后能觸發(fā)信號分子（如熒光染料、電化學活性物質(zhì)）的釋放、聚集或催化反應，實現(xiàn)信號級聯(lián)放大，從而檢測到更低濃度的目標物。*優(yōu)化檢測界面：設計具有高表面積、高孔隙率或特殊表面化學性質(zhì)的分子材料作為檢測界面，增加目標污染物分子的吸附容量和與識別位點的接觸概率，提高檢測效率。*利用納米效應：設計基于納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、量子點、DNA納米結(jié)構(gòu)）的檢測方法，利用其獨特的光學、電學或表面效應提高檢測靈敏度。*總結(jié)：分子設計為環(huán)境污染物檢測提供了從識別策略到信號轉(zhuǎn)化的全方位優(yōu)化手段。通過精確構(gòu)筑分子結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對目標污染物的高選擇性捕獲和低濃度檢測，對于環(huán)境監(jiān)測、污染預警和風險評估至關(guān)重要。2.結(jié)合具體實例，論述設計用于去除水體中氮磷污染物的緩釋型功能材料的重要性及其面臨的挑戰(zhàn)。*重要性：氮（N）和磷（P）是導致水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)元素。過量氮磷輸入會引起藻類過度繁殖，消耗水中溶解氧，導致水生生物死亡，水體變臭，破壞生態(tài)系統(tǒng)，影響供水安全和水體功能。設計用于去除水體中氮磷污染物的緩釋型功能材料具有重要的環(huán)境意義和應用價值。*控制污染擴散：緩釋材料可以將氮磷吸附或固定在材料表面，或在特定條件下（如光照、酶解）緩慢釋放吸附的氮磷，將其轉(zhuǎn)化為無害或低害的物質(zhì)，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移至不易流失的環(huán)境（如深海）。這有助于控制污染物在特定區(qū)域的擴散，減輕對下游水體的沖擊。*長效治理：與一次性投加的吸附劑或化學沉淀劑相比，緩釋型材料可以持續(xù)、穩(wěn)定地去除或轉(zhuǎn)化氮磷，提供更長效的治理效果，減少頻繁投加的頻率和成本。*環(huán)境友好：設計良好的緩釋材料應具有良好的生物降解性或環(huán)境穩(wěn)定性，其自身不會造成二次污染。例如，利用可生物降解的生物質(zhì)材料（如殼聚糖、淀粉）制備緩釋吸附劑，在使用后可通過自然過程分解。*精準調(diào)控：通過分子設計，可以調(diào)控緩釋材料的釋放速率和環(huán)境響應性（如pH、光照、氧氣濃度依賴），使其在不同水質(zhì)條件下或針對不同形態(tài)的氮磷（如硝酸鹽、磷酸鹽）具有更精準的去除效果。*實例：設計含有磷灰石結(jié)構(gòu)或負載鐵基氧化物的緩釋吸附材料，可以優(yōu)先吸附水體中溶解性的磷酸鹽，并將其轉(zhuǎn)化為難溶的羥基磷灰石沉淀固定下來。設計具有光催化活性的材料（如BiVO?），在光照條件下可以將吸附的硝酸鹽還原為氮氣，實現(xiàn)氮的去除和轉(zhuǎn)化。利用殼聚糖等生物聚合物包覆緩釋劑（如鐵鹽、磷酸鹽），形成可生物降解的微球，緩慢釋放吸附劑，延長其在水體中的滯留時間和作用效果。*面臨的挑戰(zhàn)：*釋放控制與穩(wěn)定性：如何精確調(diào)控緩釋速率，使其在需要的時間內(nèi)緩慢、穩(wěn)定地釋放，避免初始快速釋放造成新的污染或材料過早失效？如何在復雜多變的水環(huán)境中保持材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和吸附/轉(zhuǎn)化性能？*選擇性：水體中存在多種陰離子（如碳酸根、硫酸根）和陽離子，如何提高材料對氮磷的特異性吸附或轉(zhuǎn)化，減少對其他離子的干擾？如何區(qū)分和去除不同形態(tài)的氮磷（如硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、有機氮）？*生物降解性與二次污染：如何確保緩釋材料本身及其殘留物（如降解中間產(chǎn)物）在環(huán)境中是安全的，不產(chǎn)生新的生態(tài)風險？*成本與可規(guī)?；瘧茫壕忈尣牧系闹苽涑杀臼欠窠?jīng)濟？能否實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和現(xiàn)場應用的可行性？材料在實際應用中的長期性能表現(xiàn)如何？*環(huán)境影響評估：緩釋材料在實際應用中可能對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生何種長期影響？其釋放的氮磷是否會在特定條件下重新釋放（生物有效性）？六、實驗設計題設計一個簡單的實驗方案，用于初步篩選幾種不同類型的分子吸附劑對水中Cr(VI)的吸附性能。材料：*不同類型的分子吸附劑樣品（例如：分子印跡聚合物、含巰基功能化的樹脂、負載鐵氧化物的殼聚糖、活性炭等）。*鉻酸鉀（K?Cr?O?）或其他可溶性Cr(VI)鹽，用于配制Cr(VI)儲備溶液。*硫酸（H?SO?）或鹽酸（HCl），用于調(diào)節(jié)溶液pH值。*蒸餾水或去離子水。*磁力攪拌器。*移液管、容量瓶。*pH計。*離心機（可選，用于固液分離）。*二苯卡巴肼（DPD）溶液或其他Cr(VI)快速檢測試劑盒。*比色管或比色皿。*分光光度計。主要步驟：1.配制Cr(VI)溶液：用蒸餾水配制一系列已知初始濃度（如0.1,0.2,0.5,1.0,1.5mM）的Cr(VI)溶液。同時配制空白溶液（不含Cr(VI)和吸附劑）。2.調(diào)節(jié)pH值：用H?SO?或HCl溶液調(diào)節(jié)每個Cr(VI)溶液的初始pH值至預定值（例如，對于Cr(VI)吸附