2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)對可再生能源的貢獻(xiàn)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)的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種材料是傳統(tǒng)硅基太陽能電池中最核心的光伏材料？A.染料分子B.氧化鈦納米管C.硅半導(dǎo)體D.鈍化層材料2.提高鋰離子電池正極材料容量和循環(huán)壽命的化學(xué)策略通常不包括？A.調(diào)控材料的晶體結(jié)構(gòu)B.降低電極材料的電子電導(dǎo)率C.優(yōu)化電極/電解液界面D.增加活性物質(zhì)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的接觸面積3.在生物質(zhì)熱解過程中，主要發(fā)生的化學(xué)轉(zhuǎn)化是？A.纖維素在酸性條件下水解為葡萄糖B.木質(zhì)素在高溫缺氧下裂解為小分子芳香族化合物C.生物質(zhì)與氧氣發(fā)生完全燃燒D.糖類在酶催化下發(fā)酵生成乙醇4.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)的關(guān)鍵材料是？A.燃料氣體（如氫氣）B.氧氣C.質(zhì)子交換膜D.鉑基催化劑5.下列哪項(xiàng)技術(shù)不屬于典型的生物質(zhì)基化學(xué)能源轉(zhuǎn)化？A.甲醇的合成B.生物柴油的生產(chǎn)C.生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電D.木質(zhì)素的化學(xué)降解制備平臺化合物6.碳捕獲與封存（CCUS）技術(shù)中，化學(xué)吸附法通常依賴于？A.高溫高壓條件B.金屬催化劑表面C.具有高比表面積和路易斯酸堿位點(diǎn)的吸附材料D.水溶液吸收劑7.鈣鈦礦太陽能電池相較于傳統(tǒng)硅電池的主要優(yōu)勢之一是？A.成本極低B.長期穩(wěn)定性極高C.光譜響應(yīng)范圍廣，可利用近紅外光D.對環(huán)境耐受性差8.下列哪種儲能技術(shù)主要利用化學(xué)反應(yīng)來儲存和釋放能量？A.飛輪儲能B.電容儲能C.鋰離子電池D.磁懸浮儲能9.在設(shè)計高效的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化催化劑時，通常需要考慮的關(guān)鍵化學(xué)因素是？A.催化劑的熔點(diǎn)B.催化劑的比表面積和孔結(jié)構(gòu)C.催化劑的機(jī)械強(qiáng)度D.催化劑的生物相容性10.人工光合作用旨在模擬自然光合作用，其化學(xué)目標(biāo)通常是？A.將CO2轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品B.將光能直接轉(zhuǎn)化為電能C.最大化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率D.提高生物質(zhì)的熱解效率二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.太陽能電池的基本工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，將__________能轉(zhuǎn)化為__________能。2.鋰離子電池中，鋰離子在嵌脫過程中主要在正負(fù)極材料內(nèi)部發(fā)生__________變化。3.生物質(zhì)的主要化學(xué)組成包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和__________。4.燃料電池中，發(fā)生在負(fù)極的典型反應(yīng)（以氫燃料為例）是__________。5.影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的關(guān)鍵因素包括催化劑活性、膜的__________和電極的__________。6.碳捕獲技術(shù)中，化學(xué)吸收法常用的吸收劑之一是__________溶液。7.染料敏化太陽能電池（DSSC）中，起光敏作用的核心材料是__________。8.儲能技術(shù)發(fā)展的核心目標(biāo)之一是提高儲能系統(tǒng)的__________和__________。9.生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化過程中，選擇合適的催化劑可以顯著提高目標(biāo)產(chǎn)物的__________。10.應(yīng)用化學(xué)在開發(fā)可再生能源領(lǐng)域的關(guān)鍵作用體現(xiàn)在新材料的__________、新工藝的__________和新反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)等方面。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要化學(xué)途徑。2.比較鋰離子電池和鈉離子電池在材料化學(xué)方面的主要異同點(diǎn)。3.簡述生物質(zhì)熱解和生物質(zhì)氣化的主要區(qū)別。4.簡述燃料電池中，催化劑在正負(fù)極分別起到的作用。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述應(yīng)用化學(xué)在解決儲能技術(shù)瓶頸（如能量密度、循環(huán)壽命、安全性）方面可以發(fā)揮的作用。2.論述生物質(zhì)能作為一種可再生能源的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及化學(xué)轉(zhuǎn)化利用的主要方向。3.論述碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)中，化學(xué)學(xué)科面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。---試卷答案一、選擇題1.C*解析思路：硅基太陽能電池的核心是利用硅半導(dǎo)體的PN結(jié)在光照下產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能。A、B、D都是太陽能電池的輔助材料或組件。2.B*解析思路：提高鋰離子電池容量通常通過增加正負(fù)極材料中的活性鋰含量或改善結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；提高循環(huán)壽命則需優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低界面副反應(yīng)。降低電子電導(dǎo)率會阻礙電荷傳輸，不利于性能提升。3.B*解析思路：生物質(zhì)熱解是在缺氧或有限氧條件下，通過高溫使生物質(zhì)發(fā)生分解，主要目的是將復(fù)雜的有機(jī)大分子（主要是木質(zhì)素和纖維素）裂解成小分子化合物，B選項(xiàng)描述了其主要化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。水解是加水的過程，燃燒是氧化過程，發(fā)酵是生物化學(xué)過程，熱解不是直接燃燒。4.C*解析思路：PEMFC的工作原理中，質(zhì)子（H+）需要通過質(zhì)子交換膜從陽極區(qū)域傳輸?shù)疥帢O區(qū)域，這個膜是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)的關(guān)鍵材料。燃料氣體是反應(yīng)物，氧氣是反應(yīng)物，電極包含催化劑，但不是質(zhì)子傳導(dǎo)的主要介質(zhì)。5.C*解析思路：生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是利用生物質(zhì)的熱值進(jìn)行物理化學(xué)轉(zhuǎn)換發(fā)電，不涉及化學(xué)轉(zhuǎn)化制備新物質(zhì)。A、B、D均涉及通過化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他形式能量或化學(xué)品。6.C*解析思路：化學(xué)吸附利用吸附劑表面的化學(xué)鍵（如配位鍵、酸堿相互作用）捕獲CO2分子，通常需要吸附劑具有高比表面積和能夠與CO2形成化學(xué)相互作用的位點(diǎn)。A、B、D描述的條件或材料并非化學(xué)吸附的主要特征。7.C*解析思路：鈣鈦礦材料具有寬光譜響應(yīng)范圍，能夠吸收可見光和近紅外光，理論光效較高，且材料制備成本相對較低。B、D是硅電池的優(yōu)勢，A是鈣鈦礦的優(yōu)勢之一，但其長期穩(wěn)定性仍是研究熱點(diǎn)，不如C所述是主要優(yōu)勢。8.C*解析思路：鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極材料間的嵌入/脫出實(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放，本質(zhì)是化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。A、B、D均為物理儲能方式。9.B*解析思路：高效的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化催化劑需要能夠提供足夠的活性位點(diǎn)，并促進(jìn)反應(yīng)物擴(kuò)散到這些位點(diǎn)，因此比表面積和孔結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。A、C、D雖然也是催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，但不是設(shè)計時首要考慮的關(guān)鍵化學(xué)因素。10.A*解析思路：人工光合作用的化學(xué)目標(biāo)是模擬自然界中植物利用光能、水和二氧化碳合成有機(jī)物（如葡萄糖）并釋放氧氣的過程，即實(shí)現(xiàn)CO2到燃料或化學(xué)品的轉(zhuǎn)化。二、填空題1.光，電*解析思路：太陽能電池的基本功能是捕獲光能，并利用半導(dǎo)體特性將其轉(zhuǎn)化為電能。2.化學(xué)結(jié)構(gòu)（或晶格結(jié)構(gòu)）*解析思路：鋰離子在鋰離子電池充放電過程中，會進(jìn)入或離開正負(fù)極材料的晶格內(nèi)部，導(dǎo)致材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變。3.糖類（或半纖維素）*解析思路：生物質(zhì)主要由纖維素（多糖）、半纖維素（多糖）和木質(zhì)素（有機(jī)聚合物）組成，此外還含有少量糖類等。4.H2+2e-→2H+*解析思路：在PEMFC的陰極，氧氣在催化劑作用下與來自陽極的質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水。在陽極，氫氣失去電子和水反應(yīng)生成質(zhì)子和電子。題目問的是負(fù)極反應(yīng)。5.電阻（或離子電導(dǎo)率），催化活性*解析思路：影響PEMFC性能的關(guān)鍵因素包括質(zhì)子通過膜的難易程度（電阻低/離子電導(dǎo)率高）、電極材料將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物并傳導(dǎo)電子的效率（催化活性高）。6.堿性（如4-甲基-2-吡啶酮）*解析思路：化學(xué)吸收法常用堿性水溶液（如KOH、NaOH水溶液）或有機(jī)胺溶液（如4-甲基-2-吡啶酮）作為吸收劑，與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理溶解。7.染料分子（或sensitizer）*解析思路：DSSC的核心是利用染料分子吸收光能，并將激發(fā)態(tài)能量傳遞給半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，驅(qū)動電荷分離。8.壽命，效率*解析思路：衡量儲能系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)是能量不能輕易丟失，即需要長壽命和高效能（高能量效率、高功率效率）。9.選擇性（或選擇性指數(shù)）*解析思路：催化劑的選擇性是指催化反應(yīng)主要生成目標(biāo)產(chǎn)物，副產(chǎn)物很少。在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中，高選擇性意味著能高效得到期望的化學(xué)品。10.設(shè)計與合成，開發(fā)與應(yīng)用*解析思路：應(yīng)用化學(xué)的核心在于創(chuàng)造新物質(zhì)、新方法。在可再生能源領(lǐng)域，這包括設(shè)計合成新型高效材料，以及開發(fā)基于這些材料的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)。三、簡答題1.提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要化學(xué)途徑包括：*開發(fā)高光吸收系數(shù)的材料，拓寬光譜響應(yīng)范圍，吸收更多光能。*提高材料的載流子遷移率和壽命，減少內(nèi)電場引起的復(fù)合損失。*優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)匹配，實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對的有效分離和收集。*降低器件的內(nèi)部損耗，如光學(xué)損失（反射）、歐姆損失（接觸電阻）和復(fù)合損失。*設(shè)計高效、低成本的電極材料（如鈣鈦礦中的金屬電極）和界面層。*（對于特定類型電池）提高材料的穩(wěn)定性和器件的長期工作穩(wěn)定性。2.鋰離子電池和鈉離子電池在材料化學(xué)方面的主要異同點(diǎn)：*相同點(diǎn)：都基于鋰離子/鈉離子在正負(fù)極材料中的嵌入-脫出機(jī)制進(jìn)行充放電；工作原理相似，都涉及電化學(xué)反應(yīng)；都需要良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和離子傳導(dǎo)通道。*不同點(diǎn)：鈉資源比鋰更豐富、分布更廣、價格更低；鈉離子半徑比鋰離子大，對電極材料的晶格結(jié)構(gòu)要求不同，可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)與性能差異；目前鈉離子電池正極材料的能量密度普遍低于鋰離子電池，負(fù)極材料選擇也面臨挑戰(zhàn)；鈉離子電池電極材料的熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性可能相對鋰離子電池有一定差異。3.生物質(zhì)熱解和生物質(zhì)氣化的主要區(qū)別：*熱解：在缺氧或無氧條件下，通過高溫使生物質(zhì)熱分解成液體（生物油）、氣體（木煤氣）和固體（炭）三種主要產(chǎn)物。主要目的是獲得生物油或生物炭。*氣化：在高溫和充足的氧氣或富氧條件下，使生物質(zhì)發(fā)生部分氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w（合成氣）的混合氣體，以及少量焦油和灰分。主要目的是獲得合成氣用于發(fā)電或合成化學(xué)品。4.燃料電池中，催化劑在正負(fù)極分別起到的作用：*負(fù)極（燃料極）：催化劑的作用是促進(jìn)燃料（如氫氣）發(fā)生氧化反應(yīng)，即將燃料分子分解成質(zhì)子和電子。例如，在PEMFC中，催化劑（通常是鉑）將H2分解為2H+和2e-。催化劑需要具備高活性以降低反應(yīng)過電位，提高反應(yīng)速率。*正極（氧化劑極）：催化劑的作用是促進(jìn)氧化劑（如氧氣）發(fā)生還原反應(yīng)，即接受來自負(fù)極的電子和質(zhì)子生成產(chǎn)物（如水）。例如，在PEMFC中，催化劑（通常是鉑或銥的混合物）將O2、2H+和2e-還原生成H2O。同樣，正極催化劑也需要高活性。四、論述題1.應(yīng)用化學(xué)在解決儲能技術(shù)瓶頸方面可以發(fā)揮的作用：*新材料設(shè)計與合成：開發(fā)具有更高理論容量、更高倍率性能、更長循環(huán)壽命和更低成本的電極材料（如新型正極材料Li-NixMnyCozO2、磷酸錳鐵鋰、鈉離子電池的普魯士藍(lán)類似物、固態(tài)電解質(zhì)材料等）；設(shè)計高導(dǎo)電氣相或凝膠聚合物電解質(zhì)；開發(fā)高效、穩(wěn)定的催化劑（如氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)催化劑）。*新反應(yīng)機(jī)理與過程化學(xué)研究：深入理解儲能過程中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，識別并抑制衰減機(jī)制（如副反應(yīng)、界面副反應(yīng)、材料結(jié)構(gòu)變化），為優(yōu)化材料設(shè)計和工藝提供理論指導(dǎo)。*綠色化學(xué)與可持續(xù)性：開發(fā)環(huán)境友好的合成路線制備儲能材料，減少稀有元素使用，提高材料的回收和再利用效率，降低儲能技術(shù)的全生命周期環(huán)境影響。*界面化學(xué)與結(jié)構(gòu)調(diào)控：精確控制電極材料、電解質(zhì)、隔膜之間的界面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，構(gòu)建穩(wěn)定的固態(tài)或液態(tài)界面，提高器件的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。*跨學(xué)科合作：與物理、材料、工程等學(xué)科交叉合作，共同解決儲能系統(tǒng)中涉及的多物理場耦合問題，如熱量管理、機(jī)械應(yīng)力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。2.生物質(zhì)能作為一種可再生能源的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及化學(xué)轉(zhuǎn)化利用的主要方向：*優(yōu)勢：資源豐富、可再生、分布廣泛、可以替代化石燃料減少碳排放（若實(shí)現(xiàn)碳中和）、有助于農(nóng)業(yè)廢棄物處理和資源化利用、產(chǎn)業(yè)鏈可以帶動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。*挑戰(zhàn)：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)成熟度不一，部分技術(shù)成本較高；生物質(zhì)收集、儲存、運(yùn)輸成本相對較高；原料性質(zhì)復(fù)雜多樣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化過程難以標(biāo)準(zhǔn)化；部分轉(zhuǎn)化過程（如氣化、液化）產(chǎn)生焦油等污染物需要處理；土地使用沖突、可持續(xù)性（如是否影響糧食安全）等問題。*化學(xué)轉(zhuǎn)化利用的主要方向：*熱化學(xué)轉(zhuǎn)化：包括熱解（生產(chǎn)生物油、生物炭、木煤氣）、氣化（生產(chǎn)合成氣用于發(fā)電或合成化學(xué)品）、燃燒（直接發(fā)電或供熱）。主要目標(biāo)是高效、清潔地轉(zhuǎn)化生物質(zhì)中的化學(xué)能。*生物化學(xué)轉(zhuǎn)化：主要指發(fā)酵技術(shù)，利用微生物將糖類（來自纖維素、半纖維素水解）轉(zhuǎn)化為乙醇、生物柴油原料（脂肪酸甲酯）等。通常需要與熱化學(xué)預(yù)處理結(jié)合。*化學(xué)催化轉(zhuǎn)化：利用化學(xué)催化劑（無機(jī)、有機(jī)、酶）在較溫和條件下選擇性地將生物質(zhì)平臺化合物（如糖、合成氣）轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品（如乙烯、丙烯、琥珀酸、乳酸、甲醇、氨等）或燃料（如生物柴油、航空燃料）。3.碳