2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在化學催化劑中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有多個正確選項，請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)。多選、錯選、漏選均不得分）1.下列關于催化劑的敘述中，正確的是（）。A.催化劑能改變化學反應的平衡常數(shù)B.催化劑能降低化學反應的活化能C.催化劑參與反應歷程，但反應前后自身質(zhì)量和化學性質(zhì)不變D.催化劑的選擇性是指催化劑對主反應和副反應的相對轉化率E.催化劑能改變反應速率2.下列物質(zhì)中，通常被認為是固體酸催化劑的是（）。A.濃硫酸B.鉑黑C.硅酸鋁（分子篩）D.氧化鋅E.銨鹽3.在多相催化反應中，吸附在催化劑表面的反應物分子發(fā)生化學鍵斷裂和形成新鍵的過程，稱為（）。A.脫附B.負吸附C.化學吸附D.物理吸附E.活化4.下列制備固體催化劑的方法中，屬于物理共混法的是（）。A.沉淀法B.浸漬法C.共沉淀法D.溶膠-凝膠法E.水熱法5.下列表征技術中，主要用于測定催化劑比表面積、孔徑分布和孔結構的是（）。A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.比表面積與孔徑分析（BET）D.紅外光譜（IR）E.程序升溫還原（TPR）二、填空題（每空2分，共20分）1.催化劑在反應前后，其__質(zhì)量和__化學性質(zhì)基本不變，但反應速率發(fā)生顯著變化。2.均相催化反應通常在__液相__或__氣相__中進行，催化劑與反應物處于同一相態(tài)。3.多相催化反應中，催化劑的活性位點通常位于__固體表面__，反應物分子通過__吸附__作用與活性位點結合。4.催化劑的__選擇性__是指催化劑對特定反應（主反應）的促進作用遠大于對其他平行或串聯(lián)反應的促進作用。5.X射線光電子能譜（__XPS__）主要用于分析催化劑表面的__元素組成__和化學態(tài)。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述多相催化中，表面反應步驟對催化活性的影響。2.比較均相催化和多相催化的主要區(qū)別。3.簡述浸漬法在催化劑制備中的應用及其優(yōu)點。4.為什么表征催化劑的比表面積和孔結構很重要？四、論述題（每題10分，共30分）1.以合成氨反應為例，簡述鐵基催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，并說明其重要的性能要求。2.論述負載型催化劑相比均相催化劑在工業(yè)應用中具有的優(yōu)勢。3.結合能源轉化的需求，談談你對開發(fā)高效、清潔、可持續(xù)化學催化劑的思考。試卷答案一、選擇題1.B,C,D,E2.C,D3.C4.B,C5.C二、填空題1.化學性質(zhì)，質(zhì)量2.液相，氣相3.固體表面，吸附4.選擇性5.XPS，元素組成三、簡答題1.解析思路：表面反應步驟是催化劑發(fā)揮作用的關鍵環(huán)節(jié)。活性組分在表面吸附反應物后，通過表面鍵的形成與斷裂，生成產(chǎn)物并脫附。該步驟的速率決定了整個催化循環(huán)的周轉數(shù)（TOF），因此直接影響催化劑的活性。如果表面反應能壘高，則該步驟為速控步驟，限制了整體反應速率。表面反應的易進行性（如鍵的形成與斷裂的難易程度）直接影響活化能的大小，從而決定活性。2.解析思路：均相催化和多相催化的主要區(qū)別在于催化劑與反應物的相態(tài)是否相同。均相催化中，催化劑與反應物處于同一相（通常為液相或氣相），催化劑分子均勻分散在反應物中。多相催化中，催化劑為固體，反應物吸附在固體表面進行反應。這導致傳質(zhì)過程、反應機理、活性位點性質(zhì)、選擇性以及反應器類型等方面存在顯著差異。例如，多相催化通常涉及吸附和脫附步驟，而均相催化則無此過程。3.解析思路：浸漬法是將含有活性組分的前驅(qū)體溶液（或氣體）浸漬到載體（通常是多孔固體）上，然后通過干燥和熱處理使活性組分沉積在載體表面或孔內(nèi)。其優(yōu)點包括：可以將高濃度的活性組分引入載體孔道內(nèi)，提高分散度；易于制備負載量可控的催化劑；可以調(diào)節(jié)活性組分與載體的相互作用，改善催化劑性能（如穩(wěn)定性、選擇性）；適用于多種載體和活性組分。4.解析思路：催化劑的比表面積和孔結構是影響其性能的關鍵因素。比表面積越大，單位質(zhì)量催化劑所提供的活性位點數(shù)量越多，理論上催化活性越高?？捉Y構（孔徑大小、形狀、分布）則決定了反應物和產(chǎn)物能否有效進入催化劑內(nèi)部活性位點，以及反應過程中擴散是否順暢。合適的孔結構有利于反應物擴散、吸附和產(chǎn)物脫附，避免“擴散限制效應”，從而保證催化劑的實際活性和穩(wěn)定性。因此，表征這些參數(shù)對于理解催化劑行為、優(yōu)化設計和評價性能至關重要。四、論述題1.解析思路：合成氨工業(yè)（Haber-Bosch法）的核心是鐵基催化劑（通常含K2O等助劑）。該催化劑將氣態(tài)N2和H2轉化為NH3，反應條件苛刻（高溫高壓）。其應用關鍵在于：1）高活性：能在相對較低的溫度下（與無催化劑相比）實現(xiàn)較高的氨合成速率，滿足工業(yè)生產(chǎn)效率要求；2）高選擇性：主要促進N2加氫生成NH3，抑制氨分解或與其他反應（如氫解）的發(fā)生；3）高穩(wěn)定性：能在高溫、高壓、水汽存在的苛刻條件下長期穩(wěn)定工作，活性衰減慢；4）抗毒化能力：對原料氣中可能存在的硫、磷等雜質(zhì)有較好的耐受性，不易失活。這些性能要求是鐵基催化劑設計和優(yōu)化的核心目標。2.解析思路：負載型催化劑（催化劑活性組分負載在載體上）相比均相催化劑在工業(yè)應用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）易于分離和回收：反應結束后，固體催化劑可以通過過濾、沉降等方式從液相或氣相反應體系中分離出來，易于實現(xiàn)產(chǎn)物與催化劑的分離，降低成本，減少環(huán)境污染，可重復使用，符合綠色化學理念；2）提高活性組分分散度：載體可以將高濃度的活性組分分散成細小顆粒，增大比表面積，提供更多活性位點，提高催化劑的催化活性；3）增強催化劑穩(wěn)定性：載體可以支撐活性組分，防止其在反應條件下燒結、團聚或溶解，提高催化劑的熱穩(wěn)定性和機械強度；4）調(diào)節(jié)催化劑性能：通過選擇不同的載體和改性方法，可以調(diào)節(jié)催化劑的孔結構、表面酸性、電子性質(zhì)等，從而優(yōu)化其選擇性、反應速率和壽命；5）成本效益：通常可以使用廉價的載體來負載昂貴的活性組分，降低催化劑的總體成本。3.解析思路：開發(fā)高效、清潔、可持續(xù)化學催化劑是現(xiàn)代化學的重要方向，以滿足能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的需求。思考應圍繞以下方面展開：1）提高能量轉化/儲存效率：開發(fā)用于燃料電池、太陽能電池、電化學儲能（如鋰離子電池、鈉離子電池）的高效電催化劑，降低反應過電位，提高能量轉換效率，助力能源結構轉型；2）實現(xiàn)CO2等廢棄物的資源化利用：設計選擇性催化劑，將CO2高效轉化為燃料（如甲烷、甲醇）或高附加值化學品（如烯烴、碳酸酯），實現(xiàn)碳減排和資源循環(huán)；3）開發(fā)綠色合成路線：設計環(huán)境友好的催化劑，用于替代傳統(tǒng)的多步、高能耗、高污染的合成方