2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在太陽能利用中的應(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。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)）1.在太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對分離的主要內(nèi)在驅(qū)動力是（）。A.半導(dǎo)體材料的親電性B.半導(dǎo)體材料的疏水性C.能帶彎曲產(chǎn)生的電場D.晶體結(jié)構(gòu)的對稱性2.染料敏化太陽能電池（DSSC）中，通常用作染料的是（）。A.陽極導(dǎo)電玻璃B.氧化物半導(dǎo)體電極C.堿性電解質(zhì)D.能有效吸收可見光的有機(jī)或金屬有機(jī)配合物3.與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池的主要優(yōu)勢之一是（）。A.制備成本極低B.長期穩(wěn)定性非常好C.對材料組分化學(xué)計(jì)量比要求不嚴(yán)格D.光譜響應(yīng)范圍主要在紫外區(qū)4.光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵影響因素之一是光熱材料的（）。A.硬度B.導(dǎo)熱系數(shù)C.對特定波長光的吸收率D.化學(xué)穩(wěn)定性5.在光催化水分解制氫過程中，貴金屬催化劑（如Pt）的主要作用通常是在（）。A.氧化水生成氧氣B.還原水生成氫氣C.促進(jìn)光生電荷的分離D.增強(qiáng)材料對可見光的吸收6.提高太陽能電池開路電壓（Voc）的根本途徑是（）。A.增加電池面積B.增大電池內(nèi)部電阻C.減小光生載流子復(fù)合率，增大內(nèi)建電場D.提高電極材料的導(dǎo)電性7.光伏效應(yīng)的物理基礎(chǔ)是半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)，其（）。A.晶格振動頻率發(fā)生改變B.能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生新的能級C.熱導(dǎo)率突然增大D.能帶隙寬度減小8.用于太陽能聚熱發(fā)電（CSP）的光學(xué)部件，其主要功能是（）。A.直接吸收光能并轉(zhuǎn)換B.儲存化學(xué)能C.高效聚集和傳導(dǎo)太陽光線到吸熱器D.分離光生電子和空穴9.影響染料敏化太陽能電池效率和穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素是（）。A.染料的吸附強(qiáng)度B.氧化態(tài)半導(dǎo)體電極的導(dǎo)電性C.電解液的離子強(qiáng)度D.以上都是10.在設(shè)計(jì)用于CO2光還原的高效光催化劑時(shí)，通常需要考慮其（）。A.高比表面積和合適的孔道結(jié)構(gòu)B.良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗光腐蝕能力C.具備合適的能帶位置以進(jìn)行有效的電荷轉(zhuǎn)移D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換過程主要包括光的吸收、載流子的產(chǎn)生、載流子的______以及載流子的分離與收集四個(gè)基本步驟。2.在硅基P-N結(jié)太陽能電池中，P型和N型半導(dǎo)體接觸形成空間電荷區(qū)，其內(nèi)部存在一個(gè)由______指向______的內(nèi)建電場。3.染料敏化太陽能電池中，通常使用的氧化態(tài)半導(dǎo)體電極材料是______，其作用是提供光敏染料吸附的表面并傳導(dǎo)電子。4.光熱材料將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能的主要機(jī)制包括______和______。5.提高太陽能電池短路電流密度（Jsc）的主要途徑是增加單位面積電池對光的______和減少電池內(nèi)的______。6.鈣鈦礦太陽能電池中，ABX3型結(jié)構(gòu)通常指A位為______或______離子，B位為______離子，X位為______離子。7.光催化反應(yīng)中，催化劑的______和______是其核心性能指標(biāo)。8.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光器主要有______式和______式兩種基本類型。9.儲能化學(xué)在太陽能利用中的重要性體現(xiàn)在如何將間歇性的太陽能轉(zhuǎn)化為______的能源形式。10.影響半導(dǎo)體光催化活性的關(guān)鍵因素除了材料本身的能帶結(jié)構(gòu)外，還包括其______、______和表面態(tài)等。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述n型半導(dǎo)體在光催化反應(yīng)中可能起到的具體作用。2.與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，簡述鈣鈦礦太陽能電池在材料組成和光電轉(zhuǎn)換機(jī)制上的一個(gè)顯著特點(diǎn)。3.解釋什么是光化學(xué)穩(wěn)定性和光催化活性，并說明它們之間可能存在的矛盾。4.簡述提高太陽能電池效率的途徑（至少列舉三種）。四、論述題（每小題10分，共30分）1.論述染料敏化太陽能電池的工作原理，并分析影響其光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素。2.結(jié)合具體的材料實(shí)例，論述光催化劑在太陽能光解水制氫過程中的作用機(jī)理，并指出提高其催化效率的關(guān)鍵策略。3.試述應(yīng)用化學(xué)在太陽能熱發(fā)電（CSP）系統(tǒng)中扮演的角色，并舉例說明化學(xué)知識如何幫助解決CSP系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)（如儲熱材料的設(shè)計(jì)）。---試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.C5.B6.C7.B8.C9.D10.D二、填空題1.分離2.N型半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體3.TiO24.吸收光的能量使其內(nèi)部分子振動加劇；載流子（電子/空穴）的復(fù)合5.吸收；復(fù)合6.陽離子；空位；過渡金屬；陰離子7.選擇性；活性8.拋物面；槽式9.連續(xù)；穩(wěn)定10.比表面積；形貌三、簡答題1.n型半導(dǎo)體具有豐富的導(dǎo)帶電子。在光催化反應(yīng)中，這些光生電子可以注入到介電常數(shù)較低、表面能較低的半導(dǎo)體導(dǎo)帶中。這些高活性的電子可以參與氧化反應(yīng)（如光解水制氫或有機(jī)污染物降解）。同時(shí)，電子的注入可以降低半導(dǎo)體的費(fèi)米能級，使其對氧化劑的還原能力增強(qiáng)。此外，光生電子注入半導(dǎo)體后，可以減少半導(dǎo)體表面的空穴復(fù)合，從而提高半導(dǎo)體的光催化活性。2.鈣鈦礦太陽能電池的材料化學(xué)組成通常為ABX3型，其中A位為有機(jī)陽離子（如甲基銨MA+或甲脒FA+），B位為金屬陽離子（如鉛Pb2+或鍶Sr2+），X位為鹵素陰離子（如氯Cl-、溴Br-或碘I-）。其光電轉(zhuǎn)換機(jī)制涉及光生電子從B位金屬陽離子躍遷到A位有機(jī)陽離子所在的導(dǎo)帶，空穴留在B位金屬陽離子處。這種結(jié)構(gòu)允許使用低成本的溶液法制備，且光吸收范圍可通過組分調(diào)變擴(kuò)展到可見光區(qū)域，具有很高的光吸收系數(shù)。3.光化學(xué)穩(wěn)定性是指光催化劑在光照條件下抵抗化學(xué)腐蝕、結(jié)構(gòu)變化或表面態(tài)產(chǎn)生的能力，即其自身的耐久性。光催化活性是指光催化劑在光照下促進(jìn)特定化學(xué)反應(yīng)（如水分解、有機(jī)降解等）的效率和能力。兩者可能存在矛盾是因?yàn)樘岣吖獯呋钚缘牟牧希ㄈ缇哂泻线m的能帶位置以促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移的材料）可能在光照下更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)降解或表面化學(xué)變化（即穩(wěn)定性下降）。反之，非常穩(wěn)定的材料可能因能帶位置不合適或表面反應(yīng)活性低而表現(xiàn)出較低的光催化活性。因此，設(shè)計(jì)高效光催化劑需要在穩(wěn)定性和活性之間進(jìn)行權(quán)衡。4.提高太陽能電池效率的途徑包括：*增加光吸收：使用寬光譜響應(yīng)的光吸收材料，或通過引入光敏劑、量子點(diǎn)等擴(kuò)展光譜范圍。*減少光損失：優(yōu)化減反射涂層，減少光在界面處的反射。*降低內(nèi)稟復(fù)合：提高載流子壽命，增大內(nèi)建電場，減少體復(fù)合和表面復(fù)合。*優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)：采用超薄器件、多結(jié)器件等提高載流子收集效率。*提高外部量子效率：優(yōu)化電極接觸，減少電極電阻。四、論述題1.染料敏化太陽能電池（DSSC）的工作原理基于光的吸收、電荷注入、電荷傳輸與收集、電荷復(fù)合四個(gè)步驟。具體過程為：太陽光照射到附著在多孔半導(dǎo)體電極（如TiO2）表面的染料分子上，染料吸收光能發(fā)生電子激發(fā)，激發(fā)態(tài)染料將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，自身變?yōu)檠趸瘧B(tài)染料。電子通過半導(dǎo)體的孔道傳輸?shù)綄﹄姌O（通常是鉑電極），在外電路中流動形成電流。在電解質(zhì)溶液（通常是I-/I3-）的幫助下，氧化態(tài)染料被還原，完成光循環(huán)。為了抑制電子和空穴在半導(dǎo)體的能級中復(fù)合，需要使用惰性電解質(zhì)和覆蓋對電極。影響其光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素包括：染料的吸光效率（光譜響應(yīng)范圍、吸收強(qiáng)度）；半導(dǎo)體電極的本征性能（比表面積、孔道結(jié)構(gòu)、電子傳輸速率、光化學(xué)穩(wěn)定性）；染料在半導(dǎo)體表面的吸附量和吸附熱；電解質(zhì)的導(dǎo)電性和氧化還原能力；以及電極/電解質(zhì)界面的電荷復(fù)合速率。其中，染料的吸光能力和半導(dǎo)體/染料界面的電荷注入效率是關(guān)鍵。2.光催化劑在太陽能光解水制氫過程中的作用機(jī)理主要涉及光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。其核心作用是利用半導(dǎo)體材料吸收太陽光能產(chǎn)生光生電子（e-）和空穴（h+）。這些高能量的載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面發(fā)生遷移。為了實(shí)現(xiàn)高效的制氫反應(yīng)，光生電子需要被光催化劑選擇性捕獲并轉(zhuǎn)移到水分子上，還原水生成氫氣（e-+H2O→OH-+H2）。同時(shí)，光生空穴也需要被有效復(fù)合掉或用于氧化水分子生成氧氣（h++H2O→H++O2），或者被合適的物質(zhì)（如電子供體）捕獲。光催化劑的作用在于提供這樣一個(gè)高效、選擇性的能量轉(zhuǎn)換和電荷分離/傳輸?shù)膱鏊Ｌ岣咂浯呋实年P(guān)鍵策略包括：設(shè)計(jì)具有合適能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體（光生載流子的能量足以驅(qū)動反應(yīng)，且光生載流子壽命長，能帶位置有利于與反應(yīng)物/產(chǎn)物發(fā)生作用）；增大材料的比表面積或構(gòu)建特殊形貌以提高光吸收和電荷接觸面積；通過摻雜、表面修飾、貴金屬沉積等方法抑制光生載流子的復(fù)合，延長其壽命；選擇合適的助催化劑來降低反應(yīng)的活化能，加速電荷轉(zhuǎn)移步驟。3.應(yīng)用化學(xué)在太陽能熱發(fā)電（CSP）系統(tǒng)中扮演著重要的角色，主要體現(xiàn)在材料科學(xué)和化學(xué)工程方面。CSP系統(tǒng)通過聚光器收集太陽熱能，產(chǎn)生高溫?zé)嵩?，再通過熱機(jī)或熱化學(xué)循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。應(yīng)用化學(xué)在其中的作用包括：①聚光器材料與制造：開發(fā)和應(yīng)用高效、耐高溫、耐候的光學(xué)材料（如高純度石英、玻璃、金屬反射鏡涂層）以及耐磨損、耐腐蝕的支撐結(jié)構(gòu)材料。②吸熱材料與涂層：設(shè)計(jì)和制備具有高吸收率、高發(fā)射率、高導(dǎo)熱性和良好耐高溫、耐腐蝕性能的吸熱器涂層（如選擇性吸收涂層，常通過化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法等方法制備）和吸熱介質(zhì)（如熔鹽）。③儲熱材料：應(yīng)用化學(xué)致力于開發(fā)具有高儲熱密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、合適的熔點(diǎn)、低腐蝕性、良好熱導(dǎo)率的儲熱材料（如無機(jī)鹽混合物、有機(jī)材料、相變材料等），并優(yōu)化儲熱罐的材料選擇和結(jié)構(gòu)