2025年大學《應(yīng)用化學》專業(yè)題庫——化學新材料設(shè)計在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項前的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在化學新材料的設(shè)計過程中，以下哪項不屬于常見的設(shè)計策略？（）A.基于第一性原理計算進行理論預測B.利用高通量篩選技術(shù)快速探索材料空間C.通過分子自組裝構(gòu)建復雜有序結(jié)構(gòu)D.完全依賴傳統(tǒng)的試錯合成方法2.對于設(shè)計用于氣體分離的高分子膜材料，以下哪個結(jié)構(gòu)特征最不利于提高對目標小分子的選擇性？（）A.具有精確控制的孔徑分布B.良好的化學穩(wěn)定性C.極高的比表面積D.孔道內(nèi)部具有特定的化學修飾或功能位點3.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要應(yīng)用于分析材料的：（）A.元素組成和化學態(tài)B.表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)C.晶體結(jié)構(gòu)、相組成和物相鑒定D.化學鍵合類型和電子結(jié)構(gòu)4.在設(shè)計用于光催化降解有機污染物的半導體材料時，以下哪個參數(shù)不是需要重點考慮的關(guān)鍵因素？（）A.光譜響應(yīng)范圍B.光生電子-空穴對的分離效率C.材料的機械強度D.表面缺陷密度5.下列哪種方法不適合用于制備納米尺寸的金屬或半導體顆粒？（）A.溶膠-凝膠法B.微波輻射合成法C.液相外延生長法D.高溫固相反應(yīng)法6.設(shè)計用于鋰離子電池正極材料時，通常期望具有高放電比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和合適的能量密度。以下哪種材料最符合這些要求？（）A.鋁酸鋰（LiAlO?）B.磷酸鐵鋰（LiFePO?）C.氧化鈷（CoO）D.碳酸鋰（Li?CO?）7.在設(shè)計用于環(huán)保領(lǐng)域的高效吸附材料時，以下哪個性能指標不是評價其吸附能力的關(guān)鍵參數(shù)？（）A.吸附容量B.吸附選擇性C.吸附速率D.材料的熔點8.智能材料是指能夠感知外界環(huán)境變化（如溫度、光照、pH等）并作出相應(yīng)物理或化學變化的材料。以下哪種材料不屬于典型的智能材料？（）A.形狀記憶合金B(yǎng).壓電陶瓷C.普通金屬銅D.氧化鋅（ZnO）納米線9.將納米二氧化鈦（TiO?）應(yīng)用于涂料以實現(xiàn)自清潔功能，其核心的化學原理是：（）A.光催化降解有機污漬B.吸附并固定空氣中的水分C.利用納米材料的導電性導電除污D.材料本身的超疏水特性10.在考慮一種新材料能否成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時，以下哪個因素通常不是優(yōu)先考慮的技術(shù)經(jīng)濟指標？（）A.材料的制備成本B.材料的理論性能優(yōu)異程度C.材料的生產(chǎn)scalability（可規(guī)?；a(chǎn)性）D.材料的長期穩(wěn)定性和可靠性二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.化學新材料的設(shè)計往往需要綜合考慮材料的______、______、______和______等關(guān)鍵性能指標。2.利用計算機模擬和計算化學方法進行材料設(shè)計，通常被稱為______設(shè)計。3.在設(shè)計用于催化劑的材料時，除了活性外，還需要關(guān)注其______、______和______等重要特性。4.磁性材料在化工分離領(lǐng)域有重要應(yīng)用，例如利用______材料進行高效吸附分離。5.設(shè)計用于儲能設(shè)備的新材料，其______和______是衡量其性能的關(guān)鍵參數(shù)。6.多孔材料，如金屬有機框架（MOFs），因其巨大的______和可調(diào)的______而備受關(guān)注。7.生物醫(yī)用材料的設(shè)計必須優(yōu)先考慮其______、______和______等生物相容性要求。8.將新材料從實驗室研究階段推向工業(yè)化生產(chǎn)，需要克服技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等多方面的______。9.“綠色化學”理念在新材料設(shè)計中體現(xiàn)在采用______、______和______的合成路線。10.新材料的表征是連接其______設(shè)計與最終______應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述“自上而下”（Top-down）和“自下而上”（Bottom-up）兩種材料合成方法的區(qū)別。2.簡述化學傳感器的基本工作原理及其在新材料設(shè)計中的應(yīng)用領(lǐng)域。3.為什么說材料的結(jié)構(gòu)（微觀、納米、宏觀）對其性能有決定性影響？請舉例說明。4.簡述將一種新型化學材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)通常需要經(jīng)歷的關(guān)鍵步驟。四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學知識，圍繞下列主題進行論述）1.詳細論述一種你熟悉的新型化學材料（例如納米材料、智能材料、多孔材料等），闡述其設(shè)計理念、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、典型的工業(yè)應(yīng)用實例，并分析其在推動相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中的作用與意義。2.以工業(yè)廢水處理為例，論述化學新材料設(shè)計在其中扮演的角色。請說明可以設(shè)計哪些類型的新材料用于處理特定污染物（如重金屬、有機染料），并簡述其設(shè)計思路和作用機制。3.結(jié)合當前能源和環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)，論述化學新材料設(shè)計在發(fā)展可持續(xù)工業(yè)生產(chǎn)中的重要性。請從儲能、催化、環(huán)保材料等方面舉例說明，并展望未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.D6.B7.D8.C9.A10.B二、填空題1.結(jié)構(gòu)，性能，制備方法，應(yīng)用潛力2.計算機輔助3.選擇性，穩(wěn)定性，抗中毒能力4.磁性吸附劑（或磁性納米粒子）5.能量密度，循環(huán)壽命6.比表面積，孔道結(jié)構(gòu)7.生物安全性，生物相容性，生物降解性8.挑戰(zhàn)9.原料可再生，過程綠色，產(chǎn)品可降解/易回收10.結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三、簡答題1.解析思路：“自上而下”方法從宏觀或較大尺度開始，通過物理或化學手段（如刻蝕、光刻、研磨、剝離）減小尺寸或改變形態(tài)，得到所需結(jié)構(gòu)，如納米顆粒的刻蝕制備?！白韵露稀狈椒◤脑?、分子或較小單元出發(fā)，通過化學合成、自組裝等手段，構(gòu)建目標材料的結(jié)構(gòu)，如原子團簇的合成、納米線的自組裝。關(guān)鍵區(qū)別在于起始物的大小尺度和構(gòu)建過程。2.解析思路：化學傳感器利用材料對特定分析物（氣體、液體、離子等）的靈敏選擇性響應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為可測量的信號（如電信號、光信號）。設(shè)計時需考慮材料與分析物間的相互作用（如吸附、催化氧化還原、離子交換等），以及如何將這種相互作用有效轉(zhuǎn)化為可檢測的信號變化。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括環(huán)境監(jiān)測（氣體檢測、水質(zhì)分析）、生物醫(yī)學（血糖、激素檢測）、食品安全、工業(yè)過程控制等。3.解析思路：材料的性能（如力學強度、導電性、光學特性、催化活性、穩(wěn)定性等）與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（原子排列、晶相、缺陷、分子構(gòu)型、孔道結(jié)構(gòu)、表面形貌等）密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)決定材料如何響應(yīng)外界的力、電、光、熱、化學環(huán)境等。例如，石墨烯的優(yōu)異導電性源于其sp2雜化碳原子形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)；催化劑的活性位點通常位于表面或缺陷處，其活性與這些特定結(jié)構(gòu)的電子態(tài)密切相關(guān)。4.解析思路：關(guān)鍵步驟包括：①基礎(chǔ)研究與可行性探索（設(shè)計新材料，實驗室合成與表征）；②性能優(yōu)化與調(diào)控；③中試放大研究（考察可規(guī)?；a(chǎn)的可行性，工藝參數(shù)優(yōu)化）；④成本效益分析；⑤環(huán)境與安全評估；⑥工業(yè)化生產(chǎn)工藝開發(fā)與設(shè)備設(shè)計；⑦知識產(chǎn)權(quán)保護與標準制定；⑧市場推廣與應(yīng)用驗證。四、論述題1.解析思路：選擇一種具體材料，如MOFs（金屬有機框架）。設(shè)計理念：利用有機配體與金屬離子/團簇的自組裝，構(gòu)筑具有高度可調(diào)孔道結(jié)構(gòu)、化學組成和功能的晶態(tài)多孔材料。結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：孔道尺寸、化學環(huán)境、拓撲結(jié)構(gòu)等決定其對氣體的吸附選擇性、存儲能力；有機配體的功能基團決定其催化活性位點、傳感功能等。工業(yè)應(yīng)用：如用于天然氣/氫氣高效存儲與分離（利用其高比表面積和可調(diào)孔徑）、污染物吸附與催化降解（利用其表面活性位點或光催化性）、藥物緩釋載體等。作用意義：推動了高效能源存儲、環(huán)境治理、分離工程等領(lǐng)域的發(fā)展。2.解析思路：化學新材料在廢水處理中扮演核心角色。針對重金屬（如Pb2?,Cd2?）：可設(shè)計吸附材料，如改性活性炭、金屬氧化物（如Fe?O?納米顆粒）、生物炭、或負載了金屬離子（如Cu2?）的樹脂。設(shè)計思路是利用材料表面的活性位點（如含氧官能團、金屬離子配位位點）與重金屬離子發(fā)生離子交換、吸附、沉淀或氧化還原反應(yīng)。針對有機染料（如甲基藍）：可設(shè)計光催化材料，如TiO?、ZnO等半導體納米材料，或具有氧化能力的材料（如過硫酸鹽負載材料）。設(shè)計思路是利用材料的光生電子-空穴對，將染料分子礦化降解為CO?和H?O，或通過氧化還原反應(yīng)破壞染料結(jié)構(gòu)。作用機制涉及界面相互作用、電荷轉(zhuǎn)移、化學反應(yīng)等。3.解析思路：化學新材料設(shè)計對可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。儲能方面：設(shè)計高能量密度、長壽命、高安全性的鋰離子電池正極材料（如高鎳NCM、磷酸錳鐵鋰）、鈉離子電池材料、固態(tài)電解質(zhì)，以支撐電動汽車、可再生能源存儲