2025年大學《化學》專業(yè)題庫——化學催化劑表面結(jié)構(gòu)分析考試時間：______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入括號內(nèi)）1.在催化劑表面結(jié)構(gòu)表征中，低能電子衍射（LEED）技術(shù)主要利用了電子與固體表面原子相互作用的哪種效應？A.光電效應B.勒納-瓊斯吸附能C.散射效應D.離子隧穿效應2.對于塊狀金屬與同種金屬的納米顆粒，其表面原子數(shù)占比和化學活性有何不同？A.表面原子數(shù)占比相同，化學活性相同B.表面原子數(shù)占比相同，化學活性更高C.表面原子數(shù)占比更高，化學活性相同D.表面原子數(shù)占比更高，化學活性更高3.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析什么？A.催化劑表面的原子種類和化學態(tài)B.催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)C.催化劑表面的原子間距D.催化劑表面的分子吸附情況4.掃描隧道顯微鏡（STM）工作的基本原理是利用了什么現(xiàn)象？A.核磁共振B.原子間的范德華力或量子隧穿效應C.X射線衍射D.紅外吸收5.在催化劑研究中，程序升溫脫附（TPD）實驗主要目的是什么？A.表征催化劑的比表面積B.確定催化劑的晶粒尺寸C.分析吸附在催化劑表面的物種及其脫附溫度D.測定催化劑的熔點6.表面重構(gòu)是指催化劑表面原子發(fā)生何種變化？A.深入晶格內(nèi)部B.發(fā)生氧化C.重新排列形成新的晶面或結(jié)構(gòu)D.被其他元素取代7.下列哪種技術(shù)通常不用于直接觀察催化劑表面的原子級結(jié)構(gòu)？A.高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）B.掃描隧道顯微鏡（STM）C.X射線衍射（XRD）D.原子力顯微鏡（AFM）8.表面增強紅外光譜（SEIR）的優(yōu)勢在于什么？A.可以檢測氣相物種B.靈敏度極高，可檢測痕量吸附物種C.可測定固體本身的振動頻率D.操作簡單，樣品用量少9.催化劑表面的活性位點通常指什么？A.表面原子B.表面缺陷（如臺階、孔洞、晶界）C.覆蓋了反應物分子的表面區(qū)域D.表面氧化物層10.金屬催化劑的比表面積對其催化活性有何影響？A.比表面積越大，活性越高，與反應物接觸機會越多B.比表面積越小，活性越高，減少副反應C.比表面積對活性沒有影響，關(guān)鍵在于活性位點種類D.只有當比表面積超過某個閾值時，活性才會顯現(xiàn)二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）1.原子力顯微鏡（AFM）通過檢測探針與樣品表面之間______的變化來成像，可以獲得原子級別的表面形貌信息。2.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）結(jié)合______技術(shù)，可以用來研究催化劑表面吸附物種的結(jié)構(gòu)和化學環(huán)境。3.勒納-瓊斯勢描述了原子間相互作用，其中勢阱深度反映了______，而勢阱寬度與化學鍵的______有關(guān)。4.催化劑表面缺陷，如______和______，通常具有更高的活性，因為它們提供了更多的低協(xié)調(diào)性位點。5.X射線衍射（XRD）主要用于測定固體材料的______和______等信息。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述選擇某種特定的表面結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（如LEED或STM）時需要考慮的主要因素。2.解釋什么是表面吸附物的化學吸附，并說明化學吸附在催化反應中通常扮演什么角色。3.為什么說理解催化劑的表面結(jié)構(gòu)對其活性、選擇性和穩(wěn)定性至關(guān)重要？四、論述題（每題10分，共20分）1.詳細闡述如何利用多種表面結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（例如，結(jié)合HRTEM和XPS）來綜合表征一個負載型金屬催化劑（如Cu/Al?O?）的表面結(jié)構(gòu)特征，并說明這些特征可能對其費托合成活性有何影響。2.論述催化劑表面缺陷（以金屬表面的臺階、孔洞為例）對其催化性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性）的影響機制。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.B5.C6.C7.C8.B9.B10.A二、填空題1.距離2.表面增強紅外光譜（SEIR）或衰減全反射（ATR）3.吸附能；強度4.臺階；晶界5.晶體結(jié)構(gòu)；物相三、簡答題1.簡述選擇某種特定的表面結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（如LEED或STM）時需要考慮的主要因素。解析思路：考察對不同表征技術(shù)原理和適用范圍的掌握。選擇技術(shù)需考慮：樣品性質(zhì)（導體、半導體、絕緣體；清潔度；穩(wěn)定性）、所需分辨率（原子級vs.近原子級）、表面敏感性、操作條件（真空要求）、信息獲取類型（形貌、晶面、電子態(tài)、吸附等）。LEED適用于清潔金屬或半導體表面，提供晶面信息；STM適用于導體或半導體表面，能提供原子級形貌和吸附物信息，對絕緣體通常需要表面增強?？忌鷳芙Y(jié)合這些因素進行論述。2.解釋什么是表面吸附物的化學吸附，并說明化學吸附在催化反應中通常扮演什么角色。解析思路：考察對化學吸附概念及其在催化中作用的掌握?；瘜W吸附是指反應物分子與催化劑表面原子通過形成化學鍵（共價鍵、離子鍵或金屬鍵）而發(fā)生的吸附，吸附熱較高（>40kJ/mol），且吸附物通常僅與表面特定原子作用，具有選擇性。在催化反應中，化學吸附是反應物在表面的起始步驟，將反應物固定在活性位點，降低反應能壘；吸附物種可能發(fā)生表面反應或脫附。3.為什么說理解催化劑的表面結(jié)構(gòu)對其活性、選擇性和穩(wěn)定性至關(guān)重要？解析思路：考察對表面結(jié)構(gòu)核心重要性的理解。催化劑活性取決于反應物能否有效吸附在具有高反應活性的位點（常為低配位原子、缺陷、特定晶面），表面結(jié)構(gòu)決定了這些位點的數(shù)量、類型和分布。選擇性（生成目標產(chǎn)物而非副產(chǎn)物）與吸附物種的類型、覆蓋度以及表面反應路徑密切相關(guān)，而表面結(jié)構(gòu)直接影響吸附和反應路徑。穩(wěn)定性則與表面原子或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)，如是否易發(fā)生燒結(jié)、氧化或還原等，這同樣受表面結(jié)構(gòu)影響。四、論述題1.詳細闡述如何利用多種表面結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（例如，結(jié)合HRTEM和XPS）來綜合表征一個負載型金屬催化劑（如Cu/Al?O?）的表面結(jié)構(gòu)特征，并說明這些特征可能對其費托合成活性有何影響。解析思路：考察綜合運用不同表征手段分析催化劑表面結(jié)構(gòu)的能力。HRTEM可以提供催化劑顆粒的形貌（如納米顆粒尺寸、分布）、晶格結(jié)構(gòu)（確認Cu晶相、有無孿晶等）、以及與載體Al?O?之間的界面結(jié)構(gòu)信息。例如，可以觀察到Cu是以孤立納米顆粒形式存在，還是與Al?O?發(fā)生相互作用形成合金或固溶體，以及Cu納米顆粒的尺寸分布。XPS則用于分析催化劑表面的元素組成和化學態(tài)。通過XPS全譜可以確定Cu和Al（來自載體）以及其他可能存在的雜質(zhì)元素的原子比，判斷Cu的存在形式（如Cu?,Cu?,Cu2?）。高分辨率XPS（如Cu2p,Al2p譜）可以提供更詳細的信息，例如Cu2p譜可以區(qū)分Cu?和Cu?/Cu2?，判斷Cu的氧化狀態(tài)，Al2p譜可以提供Al物種的信息（如是否處于酸性位點）。結(jié)合HRTEM和XPS的信息，可以全面描述Cu/Al?O?催化劑的表面結(jié)構(gòu)特征，如Cu納米顆粒的平均尺寸、分散度、晶相、表面Cu的氧化態(tài)以及Cu與Al?O?載體的相互作用強度。這些結(jié)構(gòu)特征對費托合成活性有重要影響：Cu納米顆粒尺寸和分散度影響活性位點數(shù)量；Cu的表面氧化態(tài)影響其與CO和H?的吸附能力；Cu與Al?O?的相互作用（如電子轉(zhuǎn)移）會影響Cu的電子結(jié)構(gòu)，進而影響其吸附和催化活性。例如，適中的Cu粒徑和分散度、合適的表面氧化態(tài)以及一定的載體相互作用通常有利于費托合成活性。2.論述催化劑表面缺陷（以金屬表面的臺階、孔洞為例）對其催化性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性）的影響機制。解析思路：考察對表面缺陷在催化中作用機制的理解。金屬表面缺陷（如臺階、孔洞、邊緣原子）通常具有與terrace表面原子不同的coordinationnumber（配位數(shù)），導致其電子結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)不同。臺階原子和邊緣原子通常具有較低配位數(shù)，處于較高的能級，對反應物分子的吸附能力更強（吸附能更高），且更易發(fā)生表面反應或提供不同的反應路徑，因此這些缺陷位點往往是催化劑的活性中心，導致催化劑整體活性提高。選擇性方面，不同的缺陷可能對不同的反應物或中間體具有不同的吸附強度或提供不