2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——燃料電池材料的合成與性能優(yōu)化考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)字母填在括號內(nèi)）1.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，以下哪種材料通常用作陽極催化劑？()A.NiB.PtC.LaGaO3D.Ag2.下列哪種方法不屬于常用的燃料電池催化劑負(fù)載技術(shù)？()A.浸漬法B.沉積法C.原位生長法D.離子交換法3.在水熱合成過程中，溶劑的選取主要基于以下哪個(gè)因素？()A.物理沸點(diǎn)B.化學(xué)穩(wěn)定性C.對產(chǎn)物的溶解度D.以上都是4.對于燃料電池電極材料而言，提高其本征電催化活性的關(guān)鍵在于什么？()A.增大比表面積B.優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)C.提高離子擴(kuò)散速率D.增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性5.以下哪種材料是固體氧化物燃料電池（SOFC）中最常用的電解質(zhì)材料？()A.Nafion膜B.YSZ（氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）C.ALD（原子層沉積）膜D.PTFE（聚四氟乙烯）6.在燃料電池材料性能評價(jià)中，"Tafel斜率"主要反映了什么？()A.電極的歐姆電阻B.電極的活化過電位C.電極的傳質(zhì)阻力D.電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率7.為了提高燃料電池催化劑的耐久性，通常會采取哪種策略？()A.降低材料成本B.增加貴金屬負(fù)載量C.構(gòu)建穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)D.提高材料的導(dǎo)電性8.下列哪種方法不適合用于制備納米尺寸的燃料電池電極材料？()A.溶膠-凝膠法B.水熱法C.高溫固相法D.化學(xué)氣相沉積法9.在設(shè)計(jì)和優(yōu)化燃料電池電極/電解質(zhì)界面時(shí)，通常關(guān)注的關(guān)鍵因素是？()A.化學(xué)相容性B.熱穩(wěn)定性C.互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)D.以上都是10.燃料電池中使用的質(zhì)子導(dǎo)體材料，在固體狀態(tài)下必須具備什么特性？()A.高電子電導(dǎo)率B.高離子電導(dǎo)率C.高化學(xué)穩(wěn)定性D.高機(jī)械強(qiáng)度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.燃料電池中，常用的非貴金屬催化劑主要指以______、______為代表的過渡金屬氧化物。2.溶膠-凝膠法是一種濕化學(xué)合成方法，其過程通常包括溶膠的制備和______兩個(gè)主要階段。3.提高燃料電池催化劑電催化活性的主要途徑包括：提高本征活性、增大______、優(yōu)化材料形貌與結(jié)構(gòu)等。4.固體氧化物燃料電池（SOFC）工作溫度通常在______℃以上，因此對材料的______要求很高。5.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，為防止CO?中毒，通常需要限制燃料氣的______含量。6.通過______技術(shù)可以在多孔碳載體制備鉑納米顆粒，以改善其催化性能和穩(wěn)定性。7.材料的離子導(dǎo)電性主要取決于其晶格中的______濃度、遷移勢壘以及______。8.原位合成方法允許在反應(yīng)過程中直接生成目標(biāo)產(chǎn)物，并能保持______的構(gòu)型。9.燃料電池電極的“三合一”設(shè)計(jì)是指將______、______和______功能集成在一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)中。10.為降低燃料電池成本，開發(fā)高性能的非鉑催化劑是______領(lǐng)域的重要研究方向。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.燃料電池2.本征電催化活性3.水熱合成4.界面電阻5.非貴金屬催化劑四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述浸漬法負(fù)載催化劑的基本原理及其優(yōu)點(diǎn)。2.簡述提高燃料電池催化劑穩(wěn)定性的主要因素。3.簡述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，電解質(zhì)水合作用的重要性。4.簡述固體氧化物燃料電池（SOFC）中，材料需要滿足的基本性能要求。五、論述題（每題10分，共20分）1.論述燃料電池電極材料中，催化劑、電極支撐層和氣體擴(kuò)散層各自的功能及其相互關(guān)系。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述如何通過調(diào)控材料的形貌（如納米顆粒尺寸、比表面積、孔結(jié)構(gòu)等）來優(yōu)化其燃料電池應(yīng)用性能。---試卷答案一、選擇題1.B2.D3.D4.B5.B6.B7.C8.C9.D10.B二、填空題1.鈷，鎳2.干燥與熱處理3.比表面積4.700，化學(xué)穩(wěn)定性5.CO6.微乳液7.離子，離子遷移率8.反應(yīng)前9.催化活性，氣體擴(kuò)散，質(zhì)子傳導(dǎo)10.非貴金屬催化劑三、名詞解釋1.燃料電池：將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置，無需經(jīng)過熱機(jī)過程。2.本征電催化活性：在理想條件下（如充分混合、無擴(kuò)散阻力、無其他副反應(yīng)影響）測得的催化劑電催化活性，反映了催化劑本身的催化能力。3.水熱合成：在密閉容器中，于高于水的正常沸點(diǎn)的溫度和壓力下進(jìn)行溶解、反應(yīng)和沉淀等化學(xué)合成方法。4.界面電阻：在燃料電池中，指電極與電解質(zhì)之間、電解質(zhì)與電極之間以及多孔電極內(nèi)部氣體擴(kuò)散層與催化層之間的電阻的總和，影響電池的電子和離子傳輸。5.非貴金屬催化劑：主要指不含或很少含貴金屬（如鉑Pt）的催化劑，通常由過渡金屬氧化物、硫化物、碳基材料等構(gòu)成。四、簡答題1.浸漬法的基本原理是將含有活性物質(zhì)（如催化劑前驅(qū)體）的溶液或凝膠滲透到多孔基體（如碳紙）中，隨后通過干燥和熱處理使活性物質(zhì)沉積并負(fù)載在基體表面或內(nèi)部。優(yōu)點(diǎn)包括：負(fù)載量可控、催化劑分布均勻、可避免催化劑在高溫?zé)Y(jié)過程中與載體發(fā)生不良反應(yīng)、適用于已具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電極結(jié)構(gòu)。2.提高燃料電池催化劑穩(wěn)定性的主要因素包括：①化學(xué)穩(wěn)定性，抵抗反應(yīng)中間體、副產(chǎn)物、反應(yīng)氣氛（如H?O、CO?、O?）的毒化作用；②結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在長期運(yùn)行的高溫、高電位、高電流密度條件下保持晶格結(jié)構(gòu)的完整性，防止晶粒長大、相變或粉化；③表面穩(wěn)定性，保持活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的持久性，防止活性相溶解或覆蓋。3.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，電解質(zhì)水合作用的重要性體現(xiàn)在：①水分子是質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中遷移的載體，通過H?-H?O交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳導(dǎo)；②適量的水分有助于維持膜的高離子電導(dǎo)率，但過度的水合會導(dǎo)致膜溶脹，增加膜電阻并降低其機(jī)械強(qiáng)度。4.固體氧化物燃料電池（SOFC）中，材料需要滿足的基本性能要求包括：①高離子電導(dǎo)率（尤其是氧離子電導(dǎo)率），以保證離子在高溫下高效傳輸；②高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能在高溫（通常>700℃）及燃料和空氣氣氛下長期穩(wěn)定運(yùn)行，不發(fā)生分解、氧化或與電極材料反應(yīng)；③與電極材料良好的化學(xué)相容性和熱匹配性，防止界面反應(yīng)和熱應(yīng)力導(dǎo)致的開裂；④合適的機(jī)械強(qiáng)度和抗蠕變性，保證電池結(jié)構(gòu)的完整性；⑤較低的導(dǎo)熱性（有利于電-熱轉(zhuǎn)換），以及根據(jù)應(yīng)用需求考慮的成本效益。五、論述題1.燃料電池電極材料通常由催化劑、電極支撐層和氣體擴(kuò)散層三部分組成，它們功能各異且相互依存。①催化劑層位于電極最內(nèi)層，直接與電解質(zhì)接觸，其主要功能是提供高電催化活性位點(diǎn)，促進(jìn)燃料（陽極）和氧化劑（陰極）的氧化還原反應(yīng)，降低反應(yīng)過電位。②電極支撐層（或稱集流層）通常位于催化劑層外層，主要功能是導(dǎo)電，將電極產(chǎn)生的電流匯集并傳導(dǎo)出去，同時(shí)提供機(jī)械支撐，保證電極結(jié)構(gòu)的完整性，并為氣體擴(kuò)散提供通道。③氣體擴(kuò)散層（GDL）位于電極最外層，主要功能是擴(kuò)散反應(yīng)氣體（如氫氣、空氣）至催化劑層，并將反應(yīng)產(chǎn)物（如水）擴(kuò)散帶走，同時(shí)具備一定的透氣性、導(dǎo)電性和支撐作用。這三層材料需要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面工程相互連接，以實(shí)現(xiàn)高效的電荷轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳輸和機(jī)械支撐，從而保證燃料電池的高性能和穩(wěn)定性。催化劑的性能決定了電池的理論性能上限，支撐層和擴(kuò)散層的性能則影響反應(yīng)物傳輸效率和電池的長期穩(wěn)定性。2.材料形貌對燃料電池性能具有顯著影響，通過調(diào)控形貌可以有效優(yōu)化其應(yīng)用性能。例如，在制備催化劑時(shí)：①減小納米顆粒尺寸可以顯著增加比表面積，暴露更多活性位點(diǎn)，從而大幅提高本征電催化活性，尤其是在貴金屬催化劑中效果明顯；②通過控制合成條件（如添加surfactant、改變pH值、反應(yīng)時(shí)間等）可以制備出具有特定形貌（如納米球、納米棒、納米線、納米片、多級孔結(jié)構(gòu)等）的催化劑，不同的形貌會影響電子結(jié)構(gòu)、表面能和電荷分布，進(jìn)而影響催化活性、選擇性和穩(wěn)定性。例如，鉑納米線比納米顆粒具有更高的電流密度和更好的穩(wěn)定性。在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：①在多孔電極中，通過調(diào)控孔隙率、孔徑分布和比表面積，可以優(yōu)化氣體擴(kuò)散層的透氣性、液態(tài)水排出能力和電接觸，減少濃差極化和歐姆電阻；②在催化劑層中，構(gòu)建分級多孔結(jié)構(gòu)（如核殼結(jié)構(gòu)、雙連續(xù)孔結(jié)構(gòu)）可以使活性物質(zhì)分布更均勻，縮短離子和電子傳輸路徑，提高反應(yīng)物利用率和電極穩(wěn)定性。結(jié)合實(shí)例，例如，通過微乳液法可以制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的鉑催化劑，鉑核提供活性位點(diǎn)