2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——物理化學(xué)新興技術(shù)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪項(xiàng)技術(shù)主要利用原子間的相互作用力來(lái)獲取樣品表面原子級(jí)分辨率信息？A.X射線衍射(XRD)B.掃描隧道顯微鏡(STM)C.核磁共振波譜(NMR)D.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)2.在資源化學(xué)領(lǐng)域，密度泛函理論（DFT）主要用于？A.獲取物質(zhì)的宏觀晶體結(jié)構(gòu)B.研究復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理并預(yù)測(cè)反應(yīng)能壘C.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)濃度變化D.測(cè)定物質(zhì)的元素組成3.下列哪類材料因其優(yōu)異的表面積、高比表觀活性位點(diǎn)密度，近年來(lái)在資源轉(zhuǎn)化催化中備受關(guān)注？A.金屬宏觀顆粒B.傳統(tǒng)多孔分子篩C.碳納米管D.單原子催化劑4.電化學(xué)沉積技術(shù)利用哪種物理化學(xué)原理將溶液中的金屬離子轉(zhuǎn)化為固體金屬沉積物？A.熱力學(xué)平衡原理B.酸堿中和反應(yīng)C.電極電位驅(qū)動(dòng)下的氧化還原反應(yīng)D.共價(jià)鍵形成5.等離子體化學(xué)在資源處理（如礦山煙氣脫硫脫硝）中的核心優(yōu)勢(shì)在于其？A.能產(chǎn)生極高的溫度B.能在低溫下高效活化反應(yīng)物C.可大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)D.操作成本極低6.若要設(shè)計(jì)一種高效的光催化材料用于水體中有機(jī)污染物的降解，從物理化學(xué)角度應(yīng)重點(diǎn)考慮？A.材料的機(jī)械強(qiáng)度B.材料的光吸收范圍與太陽(yáng)光譜的匹配度C.材料的密度D.材料的生物相容性7.在資源勘探與評(píng)價(jià)中，利用核磁共振（NMR）技術(shù)主要可以獲得哪種信息？A.固體材料的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)B.地球深處資源的元素種類與含量C.有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)信息D.流體在地層中的流動(dòng)速度8.下列哪項(xiàng)物理化學(xué)方法最適合用于研究分子間相互作用的能量變化？A.動(dòng)力學(xué)模擬B.密度泛函理論計(jì)算C.有限元分析D.流體力學(xué)計(jì)算9.“限域效應(yīng)”在納米催化劑設(shè)計(jì)中具有重要意義，它主要影響？A.催化劑的宏觀尺寸B.催化活性位點(diǎn)周圍的電子云密度和反應(yīng)環(huán)境C.催化劑的導(dǎo)熱性能D.催化劑的穩(wěn)定性10.將AI（人工智能）技術(shù)用于新型催化劑的理性設(shè)計(jì)，主要利用了AI的哪種能力？A.物理化學(xué)定律推導(dǎo)B.高通量實(shí)驗(yàn)操作C.從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)規(guī)律并建立預(yù)測(cè)模型D.自主進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.原子力顯微鏡（AFM）通過(guò)檢測(cè)______與樣品表面之間的相互作用力來(lái)成像，可以獲得原子級(jí)別的分辨率。2.計(jì)算化學(xué)中的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬主要基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，通過(guò)______來(lái)推算系統(tǒng)隨時(shí)間的演化軌跡。3.在電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，提高電極材料______是提升器件能量密度和功率密度的重要途徑。4.光催化反應(yīng)通常需要光生載流子（電子-空穴對(duì)）的有效分離和傳輸，以避免其重新復(fù)合，這直接影響催化______。5.等離子體中的粒子處于高度激發(fā)態(tài)，具有極高的______，使其能夠參與并引發(fā)許多在常規(guī)條件下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。6.根據(jù)能帶理論，當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，通常在______一側(cè)形成勢(shì)壘。7.單原子催化劑是指將單個(gè)______原子分散在多孔載體或納米結(jié)構(gòu)骨架上形成的催化材料，具有極高的原子利用率和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。8.評(píng)價(jià)一種新興物理化學(xué)技術(shù)（如某種分離膜技術(shù)）在資源利用中的潛力，需要綜合考慮其______、選擇性、穩(wěn)定性和成本效益。9.理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT描述了氣體在______下的宏觀行為，其中R為氣體常數(shù)。10.催化反應(yīng)的速率通常受多個(gè)步驟控制，其中速率最慢的步驟被稱為_(kāi)_____。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述密度泛函理論（DFT）在資源化學(xué)研究中計(jì)算催化反應(yīng)能壘的基本原理。2.比較掃描探針顯微鏡（SPM，如STM和AFM）與光學(xué)顯微鏡在探測(cè)樣品表面信息方面的主要區(qū)別。3.電化學(xué)儲(chǔ)能裝置（如鋰離子電池）中，電極材料的“倍率性能”和“循環(huán)壽命”分別受哪些物理化學(xué)因素影響？四、計(jì)算題（共15分）某研究者設(shè)計(jì)了一種新型非貴金屬電催化劑用于析氫反應(yīng)（HER）。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在特定電位下，該催化劑的交換電流密度（j?）為1.2×10??A/cm2。已知該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE）電位下是可逆的（η=0V），當(dāng)電位掃描到-0.4V(vs.SHE)時(shí)，測(cè)得過(guò)電位（η）為0.12V。請(qǐng)計(jì)算：（1）該催化劑在-0.4V電位下的塔菲爾斜率（b）；（塔菲爾方程：η=a+b*ln(j)）（2）從物理化學(xué)角度，分析該催化劑在-0.4V電位下表現(xiàn)出如此低過(guò)電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）的可能原因。（至少提出兩點(diǎn)）五、論述題（共30分）當(dāng)前，從含鎵（Ga）廢料（如廢電子廢棄物、高爐渣）中高效、低成本地提取和分離鎵資源是資源化學(xué)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。物理化學(xué)中的多種新興分析、表征和分離技術(shù)為此提供了新的思路。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，論述以下兩點(diǎn)：（1）闡述至少三種不同的物理化學(xué)分析或表征技術(shù)（如光譜學(xué)、譜學(xué)、計(jì)算模擬等），如何幫助研究人員理解含鎵廢料中鎵的存在形態(tài)（如價(jià)態(tài)、賦存相、結(jié)合狀態(tài)）及其在分離過(guò)程中的行為？（2）討論至少兩種基于物理化學(xué)原理的分離技術(shù)（如膜分離、萃取分離、電化學(xué)分離等），并分析其在從復(fù)雜含鎵體系中選擇性提取鎵的潛在優(yōu)勢(shì)、面臨的挑戰(zhàn)以及可能的改進(jìn)方向。試卷答案---------------------------------------------------一、選擇題1.B解析：掃描隧道顯微鏡（STM）通過(guò)探測(cè)探針與樣品表面原子間的隧道電流變化來(lái)成像，可實(shí)現(xiàn)原子級(jí)分辨率。XRD用于晶體結(jié)構(gòu)，NMR用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分，F(xiàn)TIR用于分子振動(dòng)和化學(xué)鍵。2.B解析：密度泛函理論（DFT）是一種計(jì)算化學(xué)方法，主要用于從電子結(jié)構(gòu)出發(fā)計(jì)算物質(zhì)的能量和各種性質(zhì)，特別適合研究化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理、活化能、催化劑性能等。3.D解析：?jiǎn)卧哟呋瘎⒒钚越饘僭右詥卧有问椒稚⒃谳d體上，提供了極高的原子濃度和表觀活性位點(diǎn)密度，是當(dāng)前催化研究的熱點(diǎn)。4.C解析：電化學(xué)沉積本質(zhì)上是電解池中的氧化還原反應(yīng)，金屬離子在陰極得到電子還原為金屬原子并沉積下來(lái)，驅(qū)動(dòng)力是電極電位。5.B解析：等離子體化學(xué)利用高能電子、離子或激發(fā)態(tài)粒子作為“反應(yīng)物”或“活化劑”，可以在較低宏觀溫度下提供足夠的能量來(lái)引發(fā)或加速化學(xué)反應(yīng)。6.B解析：光催化效率取決于光生載流子的量子產(chǎn)率和分離效率。材料的能帶結(jié)構(gòu)需與光源匹配以有效吸收光能，且有利于電子和空穴分離以參與反應(yīng)。7.C解析：核磁共振（NMR）波譜學(xué)是結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要手段，通過(guò)原子核在磁場(chǎng)中的行為來(lái)提供分子結(jié)構(gòu)信息，尤其在有機(jī)化學(xué)和溶液相分析中應(yīng)用廣泛。8.B解析：密度泛函理論（DFT）基于電子密度來(lái)描述物質(zhì)性質(zhì)，能夠計(jì)算原子間相互作用的能量，是研究分子間相互作用能量的常用計(jì)算方法。9.B解析：限域效應(yīng)指在納米尺度下，物質(zhì)（如催化劑活性位點(diǎn)）所處的空間環(huán)境（如孔道內(nèi)、表面附近）與其在體相中的性質(zhì)不同，主要影響局部電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)微環(huán)境。10.C解析：AI在催化劑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是利用其強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)分析大量已知材料數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系）來(lái)建立預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)。---------------------------------------------------二、填空題1.探針針尖解析：原子力顯微鏡通過(guò)控制探針在樣品表面掃描，檢測(cè)反饋機(jī)制中探針與樣品表面原子間作用力（如范德華力、靜電力）的變化。2.時(shí)間步長(zhǎng)解析：分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬通過(guò)數(shù)值積分牛頓運(yùn)動(dòng)方程，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)（如皮秒ps級(jí)別）計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)所有原子位置和速度的更新。3.比表面積解析：電極材料的比表面積直接影響單位質(zhì)量或體積材料所能提供的活性位點(diǎn)數(shù)量，是影響電化學(xué)反應(yīng)速率和裝置容量的關(guān)鍵因素。4.轉(zhuǎn)化效率（或催化活性）解析：光生載流子的分離和傳輸效率直接決定了它們能夠參與光催化反應(yīng)的比例，低分離率會(huì)導(dǎo)致大量載流子復(fù)合，降低反應(yīng)速率和最終轉(zhuǎn)化效率。5.能量解析：等離子體中的粒子（電子、離子、原子、分子等）處于非常高的能量狀態(tài)，遠(yuǎn)高于熱平衡態(tài)的粒子能量。6.異質(zhì)結(jié)界面解析：當(dāng)兩種半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于能帶結(jié)構(gòu)和有效質(zhì)量的差異，在界面處會(huì)形成勢(shì)壘，阻止多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。7.金屬解析：?jiǎn)卧哟呋瘎┑暮诵氖欠稚⒌膯蝹€(gè)金屬原子，這些原子可以是過(guò)渡金屬或其他活潑金屬元素。8.選擇性解析：評(píng)價(jià)分離技術(shù)潛力需綜合考慮其分離效率（選擇性，即對(duì)目標(biāo)物質(zhì)vs.雜質(zhì)分離的能力）、通量/速率、穩(wěn)定性、能耗、材料成本等。9.理想氣體狀態(tài)解析：理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體在溫度、壓力等宏觀條件下遵循的簡(jiǎn)單關(guān)系式，適用于低壓或高溫稀薄氣體近似。10.速率控制步驟（或限速步驟）解析：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的決速步驟理論，總反應(yīng)的速率由最慢的一個(gè)基元反應(yīng)步驟決定。---------------------------------------------------三、簡(jiǎn)答題1.解析：DFT通過(guò)求解體系的電子薛定諤方程（或其近似形式），得到電子密度分布。根據(jù)Hartree-Fock方法和交換關(guān)聯(lián)泛函，電子密度可以唯一確定體系的總能量。反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物的能量可以通過(guò)DFT計(jì)算得到，其中過(guò)渡態(tài)的能量對(duì)應(yīng)反應(yīng)的活化能。通過(guò)計(jì)算不同反應(yīng)路徑上的能量變化，可以確定速率控制步驟和反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而預(yù)測(cè)反應(yīng)速率。2.解析：掃描探針顯微鏡（SPM，如STM和AFM）通過(guò)探針與樣品表面原子間的物理相互作用（隧道電流、原子間力）來(lái)探測(cè)表面，具有原子級(jí)的分辨率，可直接觀察原子排列、表面形貌，并可進(jìn)行原位操控。光學(xué)顯微鏡基于光的折射和反射成像，分辨率受限于光的波長(zhǎng)（通常在納米量級(jí)），主要用于觀察微米到毫米級(jí)別的樣品形貌和結(jié)構(gòu)，無(wú)法達(dá)到原子級(jí)分辨率，且對(duì)樣品透明度有要求。3.解析：“倍率性能”指電池在低電流密度下放電時(shí)，其容量保持率。受物理化學(xué)因素影響包括：電極材料顆粒大?。ㄐ☆w粒通常倍率性能好）、電極結(jié)構(gòu)（孔隙率、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)）、離子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度、電解液與電極的接觸狀態(tài)、界面阻抗等?！把h(huán)壽命”指電池在規(guī)定條件下能夠保持規(guī)定容量（如初始容量的80%）的最多次充放電循環(huán)次數(shù)。受物理化學(xué)因素影響包括：材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（相變、粉化）、體積膨脹/收縮引起的機(jī)械損傷、活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑/集流體之間的電接觸穩(wěn)定性、電解液副反應(yīng)、界面副反應(yīng)（如SEI膜的形成與破裂）等。---------------------------------------------------四、計(jì)算題（1）解析：根據(jù)塔菲爾方程η=a+b*ln(j)和給定的數(shù)據(jù)，當(dāng)η=0V,j=j?時(shí)，可得a=0。因此，塔菲爾斜率b=(η/ln(j))=(0.12V)/ln(1.2×10??A/cm2)。計(jì)算ln(1.2×10??)≈ln(1.2)+ln(10??)≈0.182-11.513=-11.331。則b=0.12V/(-11.331)≈-0.0106V/decade。（2）解析：該催化劑在-0.4V電位下表現(xiàn)出較低的過(guò)電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），可能的原因有：a.高活性位點(diǎn)：催化劑表面可能存在特殊的晶體結(jié)構(gòu)缺陷、表面重構(gòu)或獨(dú)特的配位環(huán)境，形成了高活性的析氫位點(diǎn)，降低了反應(yīng)能壘。b.修飾的電子結(jié)構(gòu)：催化劑表面可能存在吸附物（如氫原子、水分子）或通過(guò)非化學(xué)計(jì)量比、摻雜等手段改變了催化劑的電子結(jié)構(gòu)，使其d帶中心與氫的d帶中心對(duì)齊或靠近，有利于降低過(guò)電位。c.高表觀活性：雖然本征活性可能不高，但催化劑的高比表面積提供了大量的活性位點(diǎn)，使得表觀交換電流密度j?較大，根據(jù)過(guò)電位與交換電流密度的關(guān)系η≈RT/(nF)*ln(j/j?)，較大的j?也能導(dǎo)致在給定的j值下過(guò)電位較低。---------------------------------------------------五、論述題（1）解析：物理化學(xué)分析表征技術(shù)對(duì)于理解含鎵廢料中鎵的形態(tài)和分離行為至關(guān)重要：a.X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）：可以提供關(guān)于鎵的局部化學(xué)環(huán)境信息，如配位數(shù)、鍵合配體種類、價(jià)態(tài)分布（XANES部分），以及鎵原子與近鄰原子的距離（EXAFS部分），有助于區(qū)分鎵是存在于硅酸鹽晶格中、氧化物相、還是以離子態(tài)存在于溶液或非晶相中。b.掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜（SEM-EDS）：可用于觀察含鎵廢料的微觀形貌，并通過(guò)點(diǎn)分析或面掃描分析鎵在樣品不同區(qū)域的空間分布和化學(xué)價(jià)態(tài)信息，揭示鎵的富集或分散情況。c.拉曼光譜（Raman）：對(duì)于識(shí)別含鎵的礦物相（如獨(dú)居石、黃銅礦）或玻璃相有重要作用，特定的拉曼特征峰可以指示鎵的存在形式和結(jié)合狀態(tài)。同時(shí)，拉曼光譜對(duì)樣品制備要求相對(duì)較低。d.計(jì)算化學(xué)模擬（如DFT）：可以模擬鎵在不同載體表面或溶液環(huán)境中的吸附行為、遷移過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理，預(yù)測(cè)鎵的溶解度、界面結(jié)合能、