2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——光催化在能源化學(xué)中的應(yīng)用考試時(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)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在光催化過(guò)程中，半導(dǎo)體材料吸收光子后產(chǎn)生的主要載流子是（）。A.氧化物離子B.自由基C.電子和空穴D.離子對(duì)2.下列哪種物質(zhì)通常被用作光催化劑的助催化劑，以加速光生電子的轉(zhuǎn)移？（）A.貴金屬（如Pt）B.非金屬元素（如N,S）C.大分子染料D.金屬離子3.光催化水分解制氫過(guò)程中，提高光催化劑電荷分離效率的關(guān)鍵在于（）。A.增加光催化劑的比表面積B.降低光催化劑的帶隙寬度C.優(yōu)化光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)以促進(jìn)電子-空穴對(duì)分離D.提高光催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性4.與均相催化相比，光催化反應(yīng)的主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.反應(yīng)速率快B.催化劑可重復(fù)使用C.催化劑通常具有更高的選擇性和環(huán)境友好性D.對(duì)反應(yīng)物濃度要求不高5.在光催化CO2還原反應(yīng)中，為了提高甲烷的選擇性，通常需要（）。A.使用帶隙較寬的光催化劑B.使用具有特定形貌的光催化劑C.調(diào)控反應(yīng)體系的pH值D.降低反應(yīng)溫度6.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析光催化劑的（）。A.光學(xué)性質(zhì)B.表面元素組成C.微觀形貌D.晶體結(jié)構(gòu)與物相7.溶膠-凝膠法是一種常用的光催化劑制備方法，其主要優(yōu)點(diǎn)包括（）。A.成本低、操作簡(jiǎn)單、可在溫和條件下進(jìn)行B.易于制備納米尺寸的催化劑C.可制備雜化復(fù)合材料D.以上都是8.光致發(fā)光（PL）光譜可以用來(lái)研究光催化劑的（）。A.晶粒大小B.表面缺陷C.電荷分離效率D.化學(xué)組成9.半導(dǎo)體復(fù)合（如CdS/Cu2O）構(gòu)建異質(zhì)結(jié)光催化劑的主要目的是（）。A.增加催化劑的比表面積B.調(diào)諧光響應(yīng)范圍C.提高電荷分離和傳輸效率D.降低制備成本10.下列哪項(xiàng)不屬于光催化降解有機(jī)污染物的主要機(jī)理？（）A.光解B.氧化還原反應(yīng)C.催化降解D.生物降解二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光催化反應(yīng)通常需要滿足的兩個(gè)基本條件是______和______。2.提高光催化量子效率（QE）的主要途徑包括提高光吸收效率、抑制______和促進(jìn)______。3.光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)決定了其______和______。4.光催化CO2還原制甲烷是一個(gè)典型的______反應(yīng)。5.在光催化水分解中，O2是在______半反應(yīng)中產(chǎn)生的。6.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料作為光催化劑，其優(yōu)勢(shì)在于______和______。7.光催化劑的化學(xué)穩(wěn)定性是指其在光催化反應(yīng)條件下______和______的能力。8.為了有效利用太陽(yáng)光，可以采用______或______等方法來(lái)拓寬光催化劑的光譜響應(yīng)范圍。9.光催化劑的比表面積越大，通常其______越高。10.光催化降解有機(jī)污染物過(guò)程中，有機(jī)物分子首先被光生______或______氧化。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述光催化反應(yīng)中電子-空穴對(duì)復(fù)合的主要途徑及其抑制方法。2.簡(jiǎn)述光催化CO2還原制甲醇的可能反應(yīng)路徑。3.簡(jiǎn)述光催化劑表面改性中“缺陷工程”的概念及其對(duì)光催化性能的影響。四、論述題（每題10分，共20分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，詳細(xì)論述下列問(wèn)題）1.分析影響光催化水分解制氫效率的主要因素，并提出至少三種提高效率的具體策略。2.論述光催化技術(shù)在解決能源和環(huán)境問(wèn)題方面的潛力和面臨的挑戰(zhàn)，并簡(jiǎn)述未來(lái)發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.C4.C5.B6.D7.D8.C9.C10.D二、填空題1.充足的光能，合適的催化劑2.復(fù)合，分離3.光吸收能力，氧化還原能力4.碳-碳偶聯(lián)5.正6.結(jié)構(gòu)多樣性，可調(diào)孔道，易功能化7.保持結(jié)構(gòu)和活性，抵抗化學(xué)侵蝕8.能帶工程，光敏劑助催化劑9.活性10.電子，空穴三、簡(jiǎn)答題1.答：光催化反應(yīng)中，電子-空穴對(duì)容易重新復(fù)合，主要通過(guò)以下途徑：輻射復(fù)合（發(fā)射光子）、非輻射復(fù)合（通過(guò)聲子、缺陷等能量耗散）。抑制方法包括：構(gòu)建異質(zhì)結(jié)促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移、引入缺陷鈍化能級(jí)、使用助催化劑加速電荷分離、增大光催化劑尺寸或構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)增加電荷傳輸距離等。2.答：CO2在光生還原性物質(zhì)（如e-）作用下，可能經(jīng)歷以下步驟：首先被還原為*CO*，*CO進(jìn)一步被還原為CO，CO再與H2O或*OH反應(yīng)生成HCOOH，最后HCOOH脫水或進(jìn)一步還原生成CH4等產(chǎn)物。3.答：缺陷工程是指在光催化劑表面或體相中人為地引入缺陷（如空位、填隙原子、位錯(cuò)等）。這些缺陷可以改變催化劑的能帶結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生淺能級(jí)陷阱，促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的有效分離和傳輸；或者作為活性位點(diǎn)，提高反應(yīng)速率。但過(guò)多的缺陷也可能導(dǎo)致活性降低或穩(wěn)定性下降。四、論述題1.答：影響光催化水分解制氫效率的主要因素包括：①光催化劑自身性質(zhì)（如光吸收范圍、能帶位置、光催化活性、穩(wěn)定性、成本等）；②電荷分離與傳輸效率；③反應(yīng)物（H2O）的吸附和活化能；④反應(yīng)界面結(jié)構(gòu)；⑤光源性質(zhì)（波長(zhǎng)、強(qiáng)度等）；⑥反應(yīng)溫度和pH等外部條件。提高效率的策略：a.精心設(shè)計(jì)光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)，使其匹配太陽(yáng)光光譜并促進(jìn)電荷分離（如構(gòu)建異質(zhì)結(jié)）；b.通過(guò)改性（如貴金屬沉積、非金屬摻雜、元素協(xié)同摻雜、缺陷工程、復(fù)合等）提高光催化活性、穩(wěn)定性和電荷分離效率；c.優(yōu)化催化劑形貌和尺寸，增大比表面積，縮短電荷傳輸距離；d.選擇合適的助催化劑，加速電化學(xué)反應(yīng)步驟（如析氫或析氧）；e.優(yōu)化反應(yīng)條件（如選擇合適的溶劑、pH、溫度）；f.設(shè)計(jì)高效的光陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)，構(gòu)建高效的水分解器件。2.答：潛力：光催化技術(shù)利用豐富、清潔的太陽(yáng)能，有望解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。它在水分解制氫、CO2轉(zhuǎn)化利用、有機(jī)污染物降解、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化等方面展現(xiàn)出巨大潛力，是發(fā)展可持續(xù)能源化學(xué)的重要途徑。面臨的挑戰(zhàn)：a.光催化量子效率低，多數(shù)材料僅為幾個(gè)百分點(diǎn)；b.電荷分離與傳輸效率差，導(dǎo)致電子-空穴對(duì)易復(fù)合；c.催化劑活性普遍不高，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢；d.催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，易失活；e.大規(guī)模制備低成本、高性能光催化劑的技術(shù)難度大；f.光催化劑的回收和固定化技術(shù)有待完善。未來(lái)發(fā)展方向：a.開(kāi)發(fā)新型高效、穩(wěn)定的光催化劑材料（如二維材料、鈣鈦礦、MOFs衍生物、過(guò)氧化物等）；b.深入研究光催化機(jī)理，利用