2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——高效催化劑設(shè)計(jì)與制備考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.根據(jù)吸附-活化-脫附模型，簡(jiǎn)述均相催化劑和多相催化劑在催化反應(yīng)進(jìn)程中的關(guān)鍵區(qū)別。2.闡述活性組分、助催化劑和載體在多相催化劑中各自的主要作用。3.簡(jiǎn)要說明什么是催化劑的“選擇性”，并列舉影響催化選擇性的兩個(gè)關(guān)鍵因素。4.比較溶膠-凝膠法和化學(xué)沉淀法在制備氧化物催化劑時(shí)，至少一個(gè)主要區(qū)別。二、論述題（每題10分，共30分）5.闡述金屬納米粒子作為高效催化劑的設(shè)計(jì)策略，并舉例說明至少兩種不同的策略及其原理。6.以一種特定的催化反應(yīng)為例（如CO氧化或甲烷部分氧化），論述催化劑的穩(wěn)定性（耐久性）的重要性，并說明通常從哪些方面考察催化劑的穩(wěn)定性。7.結(jié)合你所學(xué)知識(shí)，論述設(shè)計(jì)綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下的高效催化劑需要考慮哪些方面，并舉例說明。三、綜合應(yīng)用題（每題15分，共30分）8.假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一種用于苯加氫制環(huán)己烷的高效催化劑。請(qǐng)闡述你的設(shè)計(jì)思路，包括：*初步確定活性組分，并說明理由。*選擇合適的載體，并說明選擇依據(jù)。*提出至少兩種可能的制備方法，并簡(jiǎn)述選擇這些方法的原因。*說明你會(huì)使用哪些表征技術(shù)來確認(rèn)催化劑的結(jié)構(gòu)和性能，并解釋為何選擇這些技術(shù)。9.某研究團(tuán)隊(duì)制備了一種用于乙醇氧化制乙酸的催化劑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其活性不高。請(qǐng)分析可能的原因，并提出至少三種不同的改進(jìn)方向或設(shè)計(jì)思路。試卷答案一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.答案：均相催化劑與反應(yīng)物在同一相中，催化劑分子直接參與反應(yīng)，反應(yīng)歷程通常單一，活化能較低。多相催化劑中，反應(yīng)物在氣相或液相中吸附到固相催化劑表面，催化劑表面吸附物種參與反應(yīng)，脫附后生成產(chǎn)物。其關(guān)鍵區(qū)別在于反應(yīng)物與催化劑是否處于同一相態(tài)，以及反應(yīng)歷程是否涉及表面吸附和脫附步驟。解析思路：考察對(duì)均相和多相催化基本概念及反應(yīng)機(jī)理的理解。要點(diǎn)在于區(qū)分反應(yīng)物與催化劑的相態(tài)以及反應(yīng)是否通過表面吸附/脫附過程。2.答案：活性組分是催化劑中實(shí)際參與催化反應(yīng)、提供活性位點(diǎn)的組分，決定催化劑的基本活性。助催化劑本身可能不參與反應(yīng)或僅少量參與，但能顯著提高活性組分的活性、選擇性或穩(wěn)定性，或改變反應(yīng)路徑。載體主要用于負(fù)載活性組分，增加其分散度，提高比表面積，防止活性組分團(tuán)聚，并可能影響反應(yīng)選擇性。解析思路：考察對(duì)多相催化劑組分功能的理解。需區(qū)分活性組分、助催化劑和載體的核心作用及其相互關(guān)系。3.答案：催化劑的選擇性是指催化劑在催化特定反應(yīng)時(shí)，將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的能力，以及生成副產(chǎn)物的程度。影響選擇性的因素包括催化劑的結(jié)構(gòu)（如活性位點(diǎn)種類、電子結(jié)構(gòu)）、反應(yīng)條件（溫度、壓力、溶劑等）以及反應(yīng)物本身的性質(zhì)。解析思路：考察對(duì)“選擇性”核心定義的理解，并能列舉至少兩個(gè)影響選擇性的關(guān)鍵因素（結(jié)構(gòu)、條件、反應(yīng)物是常見考點(diǎn)）。4.答案：溶膠-凝膠法通常在溶液中進(jìn)行，通過溶質(zhì)溶解、溶膠形成、凝膠化、干燥和熱處理得到固體，所得凝膠通常均勻，易于控制組成和孔隙結(jié)構(gòu)，適用于制備玻璃態(tài)或晶態(tài)材料?；瘜W(xué)沉淀法是將可溶性鹽溶液與沉淀劑反應(yīng)，生成不溶性沉淀物，然后經(jīng)過陳化、洗滌、干燥和煅燒得到固體，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可能不均勻，易產(chǎn)生雜質(zhì)。解析思路：考察對(duì)兩種常用制備方法的基本原理和特點(diǎn)的比較。要求說出至少一個(gè)主要區(qū)別，如操作環(huán)境、產(chǎn)物性質(zhì)、控制精度等。二、論述題（每題10分，共30分）5.答案：金屬納米粒子作為高效催化劑的設(shè)計(jì)策略主要包括：①尺寸效應(yīng)，納米粒子尺寸減小到納米級(jí)別時(shí)，表面原子占比顯著增加，表面能增大，導(dǎo)致活性位點(diǎn)增多，催化活性顯著提高；②形貌效應(yīng)，不同形貌（如球形、立方體、納米線、納米管）的金屬納米粒子具有不同的表面原子排布和暴露晶面，可以調(diào)控電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而影響催化活性和選擇性；③表面效應(yīng)，納米粒子表面原子具有高活性，且表面電子結(jié)構(gòu)可能與體相不同，直接影響催化反應(yīng)的吸附和活化步驟。解析思路：考察對(duì)納米催化劑設(shè)計(jì)核心策略的理解。需闡述至少兩種策略（尺寸、形貌是高頻考點(diǎn)），并解釋其背后的原理如何影響催化性能。6.答案：催化劑的穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。例如，在苯加氫制環(huán)己烷反應(yīng)中，催化劑的穩(wěn)定性決定了其在連續(xù)運(yùn)行或大規(guī)模生產(chǎn)中的可靠性和壽命。一個(gè)不穩(wěn)定的催化劑可能會(huì)在使用過程中失活（活性組分流失、團(tuán)聚、燒結(jié)或被毒化），導(dǎo)致生產(chǎn)中斷和成本增加?？疾齑呋瘎┓€(wěn)定性通常從化學(xué)穩(wěn)定性（抵抗氧化、還原、酸堿腐蝕等）、熱穩(wěn)定性（高溫下結(jié)構(gòu)和性能保持不變）和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗團(tuán)聚、保持高分散度）等方面進(jìn)行。解析思路：考察對(duì)催化劑穩(wěn)定性重要性的認(rèn)識(shí)，并能結(jié)合具體反應(yīng)實(shí)例說明。同時(shí)，需要知道考察穩(wěn)定性的常用維度（化學(xué)、熱、結(jié)構(gòu)）。7.答案：設(shè)計(jì)綠色化學(xué)理念指導(dǎo)下的高效催化劑需考慮：①環(huán)境友好性，選擇毒性小、易于回收或可生物降解的催化劑材料；②高選擇性，減少副產(chǎn)物生成，降低廢物排放；③高效率，降低能耗，提高原子經(jīng)濟(jì)性；④可持續(xù)性，原料來源豐富且可再生，制備過程能耗和污染?。虎莶僮鳁l件溫和，盡可能在常溫常壓或低溫低壓下實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化。例如，設(shè)計(jì)可回收利用的Pd/C催化劑用于水相加氫反應(yīng)。解析思路：考察對(duì)綠色化學(xué)原則在催化劑設(shè)計(jì)與制備中體現(xiàn)的理解。需列舉多個(gè)考慮方面（環(huán)境、選擇、效率、可持續(xù)、條件），并給出具體例子支撐。三、綜合應(yīng)用題（每題15分，共30分）8.答案：*活性組分：選用鉑（Pt）或鎳（Ni）作為活性組分。選擇理由：Pt是苯加氫的優(yōu)良催化劑，具有高活性和選擇性；Ni成本較低，同樣具有良好的加氫活性，且對(duì)某些毒物有耐受性。*載體：選擇氧化鋁（Al?O?）或碳基材料（如活性炭、碳納米管）作為載體。選擇依據(jù)：Al?O?具有良好的熱穩(wěn)定性和酸性，能提高Pt或Ni的分散度；碳基材料則可能提供較大的比表面積和獨(dú)特的電子效應(yīng)，有利于提高活性。*制備方法：①浸漬法：將載體（如Al?O?）浸漬在含Pt或Ni的鹽溶液中，干燥后高溫焙燒還原得到催化劑。該方法操作簡(jiǎn)單，載體的孔道結(jié)構(gòu)能得到較好利用。②共沉淀法：將可溶性Pt或Ni鹽與沉淀劑（如NaOH）和載體前驅(qū)體（如鋁鹽）共同沉淀，然后洗滌、干燥、煅燒還原。該方法能得到粒徑較小、分散性較好的催化劑。選擇依據(jù)根據(jù)具體需求和條件決定。*表征技術(shù)：選用TEM（觀察形貌、分散度、粒徑）、XRD（物相組成）、BET（比表面積、孔結(jié)構(gòu)）、XPS（表面元素組成、化學(xué)態(tài)）、H?-TPR（活性組分分散度、氧化態(tài)）等。選擇理由：TEM直觀展示催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和分散情況；XRD確定晶體結(jié)構(gòu)；BET表征比表面積和孔道信息；XPS分析表面元素和價(jià)態(tài)；H?-TPR幫助評(píng)估活性位點(diǎn)的可及性和還原性質(zhì)，綜合這些信息可以評(píng)價(jià)催化劑的結(jié)構(gòu)和性能。9.答案：乙醇氧化制乙酸活性不高的可能原因包括：①催化劑活性位點(diǎn)不足或分散度差；②活性位點(diǎn)被毒化（如硫醇、磷酸等雜質(zhì)）；③反應(yīng)條件不適宜（溫度過高導(dǎo)致副反應(yīng)，或溫度過低導(dǎo)致活性低）；④催化劑選擇性差，生成了較多的副產(chǎn)物（如乙醛、甲酸等）；⑤催化劑與反應(yīng)物的相互作用不理想。