2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——能源材料的特性與性能研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種材料通常被認(rèn)為是一種優(yōu)良的鋰離子電池負(fù)極材料？A.CoO2B.LiFePO4C.LiNiMnCoO2D.Si2.在X射線衍射(XRD)圖譜中，衍射峰的位置主要反映了材料的：A.晶粒大小B.晶體結(jié)構(gòu)類型C.元素種類D.比表面積3.用于研究材料表面元素組成和化學(xué)態(tài)的譜學(xué)方法是：A.X射線衍射(XRD)B.透射電子顯微鏡(TEM)C.X射線光電子能譜(XPS)D.拉曼光譜(Raman)4.提高鋰離子電池正極材料放電比容量的主要途徑之一是：A.減小晶體晶粒尺寸B.增加材料的比表面積C.提高材料的電子電導(dǎo)率D.增加材料的離子電導(dǎo)率5.燃料電池中，常用的鉑(Pt)基催化劑，其主要功能是：A.催化燃料的氧化B.催化氧化劑的還原C.引導(dǎo)反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移D.提高燃料的熱值6.光伏太陽(yáng)能電池的基本工作原理是：A.光的反射B.光的折射C.光生伏特效應(yīng)D.光的散射7.儲(chǔ)氫材料需要具備的特性不包括：A.高的儲(chǔ)氫容量B.安全的釋氫溫度和壓力C.良好的循環(huán)穩(wěn)定性D.極低的成本8.下列哪種材料的熱電優(yōu)值(ZT)較高，常被用于熱電發(fā)電或制冷？A.金屬B.絕緣體C.碳納米管D.硅鍺(SiGe)合金9.影響固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的主要因素是：A.晶格缺陷B.晶粒取向C.材料的密度D.材料的顏色10.對(duì)于用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容器，通常希望其具有：A.高的首次庫(kù)侖效率B.高的功率密度C.長(zhǎng)的循環(huán)壽命D.高的能量密度二、填空題1.能源材料的性能通常包括物理性能、化學(xué)性能和______性能等。2.表征材料比表面積的常用指標(biāo)是______。3.鋰離子電池的工作電壓通常與其正負(fù)極材料的______有關(guān)。4.燃料電池的主要副產(chǎn)物是______。5.半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中，形成光生伏特效應(yīng)的內(nèi)在基礎(chǔ)是能帶結(jié)構(gòu)和______。6.儲(chǔ)氫材料按氫的結(jié)合狀態(tài)可分為_(kāi)_____型、______型和化學(xué)吸附型。7.評(píng)價(jià)熱電材料性能的關(guān)鍵參數(shù)是______和塞貝克系數(shù)。8.陶瓷材料通常具有高熔點(diǎn)、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但其______通常較差。9.金屬基催化劑在電催化中，除了提供反應(yīng)位點(diǎn)外，其______也起著重要作用。10.材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸、缺陷、形貌等，對(duì)其宏觀性能有著顯著的影響，這種關(guān)系通常被稱為_(kāi)_____關(guān)系。三、名詞解釋1.比表面積2.離子電導(dǎo)率3.光生伏特效應(yīng)4.熱電優(yōu)值(ZT)四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)的基本原理及其在能源材料研究中的應(yīng)用。2.簡(jiǎn)述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要因素及其內(nèi)在原因。3.簡(jiǎn)述燃料電池中，提高催化劑性能的主要途徑。4.簡(jiǎn)述儲(chǔ)能材料（以電池為例）與傳能材料（如熱電材料）在性能要求上的主要區(qū)別。五、論述題1.論述材料的微觀結(jié)構(gòu)（如納米化、缺陷工程）對(duì)其儲(chǔ)能性能（如電化學(xué)容量、倍率性能、循環(huán)壽命）的影響機(jī)制。2.選擇一種你感興趣的能源材料（如鋰離子電池正極材料、燃料電池催化劑、太陽(yáng)能電池材料等），分析其關(guān)鍵特性要求，并討論當(dāng)前研究中為了優(yōu)化這些特性所采用的主要策略。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.B5.A6.C7.D8.D9.A10.B二、填空題1.化學(xué)2.比表面積(specificsurfacearea)3.標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)差(standardelectrodepotentialdifference)4.水(H2O)5.費(fèi)米能級(jí)(Fermilevel)6.化學(xué)鍵合(chemicalbonding);物理吸附(physicaladsorption)7.熱導(dǎo)率(thermalconductivity)8.電導(dǎo)率(electricalconductivity)9.電子結(jié)構(gòu)(electronicstructure)10.結(jié)構(gòu)-性能(structure-property)三、名詞解釋1.比表面積：指單位質(zhì)量或單位體積材料所具有的表面積，常用單位為平方米每克(m2/g)或平方米每立方厘米(m2/cm3)。它反映了材料表面積的大小，對(duì)材料的吸附、催化、離子傳輸?shù)刃阅苡兄匾绊憽?.離子電導(dǎo)率：指材料中離子載流子（如陽(yáng)離子、陰離子）在外加電場(chǎng)作用下定向遷移而導(dǎo)電的能力，是衡量材料離子傳輸速率的重要物理量，對(duì)電池、固體電解質(zhì)等器件的性能至關(guān)重要。3.光生伏特效應(yīng)：指半導(dǎo)體材料在受到光照時(shí)，光子能量激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下發(fā)生分離并形成光生電勢(shì)，從而產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。這是光伏太陽(yáng)能電池工作的基本原理。4.熱電優(yōu)值(ZT)：是衡量熱電材料性能優(yōu)劣的綜合參數(shù)，定義為ZT=T*(S2/κ)*α，其中T為絕對(duì)溫度，S為塞貝克系數(shù)，κ為熱導(dǎo)率，α為熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)。ZT值越高，表示材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。四、簡(jiǎn)答題1.X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)的基本原理是利用具有足夠能量的X射線光子照射樣品表面，使樣品中的原子內(nèi)層電子被激發(fā)并逸出成為光電子，通過(guò)分析這些光電子的動(dòng)能（或能量）分布，可以確定被激發(fā)電子的來(lái)源（即元素組成）、化學(xué)鍵合狀態(tài)（通過(guò)結(jié)合能的變化）以及表面電子結(jié)構(gòu)信息。在能源材料研究中，XPS可用于分析材料的表面元素組成、元素價(jià)態(tài)（如氧化態(tài)）、表面化學(xué)態(tài)、表面吸附物等，對(duì)理解材料的表面性質(zhì)、催化活性、電化學(xué)行為、界面反應(yīng)等至關(guān)重要。2.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要因素及其內(nèi)在原因包括：①正負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性：材料在反復(fù)充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化（如相變、晶格膨脹/收縮、粉化），導(dǎo)致活性物質(zhì)損失。②電極/電解液界面副反應(yīng)：形成穩(wěn)定的SEI膜需要消耗活性物質(zhì)，且SEI膜在循環(huán)中可能不穩(wěn)定、破裂或生長(zhǎng)過(guò)厚，影響離子傳輸和接觸。③充放電過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力：鋰枝晶的生長(zhǎng)、顆粒的破碎、集流體剝離等機(jī)械損傷會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減和內(nèi)部電阻增加。④溫度影響：過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)加速材料老化副反應(yīng)，降低循環(huán)壽命。3.燃料電池中，提高催化劑性能的主要途徑包括：①稀土金屬（如鉑Pt）的納米化：減小顆粒尺寸可以提高比表面積，增加活性位點(diǎn)數(shù)量，從而提高催化活性。②合金化或表面修飾：通過(guò)形成合金（如PtRu）或負(fù)載助催化劑（如Co、Ni）來(lái)改變電子結(jié)構(gòu)或引入新的活性位點(diǎn)，可以改變化學(xué)態(tài)、提高催化選擇性（如氧還原反應(yīng)的四個(gè)電化學(xué)步驟）和穩(wěn)定性。③優(yōu)化載體：選擇合適的載體（如碳納米管、石墨烯、金屬氧化物）可以提供合適的電子環(huán)境、提高催化劑的分散度和穩(wěn)定性。④結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)具有特定形貌（如納米線、納米片）的催化劑，可以暴露更多的活性晶面，提高催化效率。4.儲(chǔ)能材料（以電池為例）與傳能材料（如熱電材料）在性能要求上的主要區(qū)別在于：①能量轉(zhuǎn)換效率與密度要求不同：儲(chǔ)能材料（特別是電池）通常追求高能量密度（單位質(zhì)量或體積存儲(chǔ)的能量）和高功率密度（快速充放電的能力），而傳能材料（如熱電材料）則更關(guān)注高能量轉(zhuǎn)換效率（將熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率）和較好的熱管理能力（冷端散熱）。②循環(huán)壽命與穩(wěn)定性要求不同：儲(chǔ)能材料需要具備長(zhǎng)循環(huán)壽命和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，以保證多次充放電使用，而傳能材料（如熱電材料）主要要求在持續(xù)工作條件下保持性能穩(wěn)定。③對(duì)充放電/轉(zhuǎn)換過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不同：儲(chǔ)能材料需要快速響應(yīng)充放電過(guò)程，而傳能材料（如熱電轉(zhuǎn)換）則更關(guān)注在穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)換性能。五、論述題1.材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其儲(chǔ)能性能（如電化學(xué)容量、倍率性能、循環(huán)壽命）具有決定性影響，其影響機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①晶粒尺寸效應(yīng)：減小晶粒尺寸通常會(huì)增大材料的比表面積，暴露更多活性位點(diǎn)，有利于鋰離子的快速嵌入/脫出，從而提高倍率性能和初始容量。但過(guò)小的晶?？赡軐?dǎo)致晶格畸變?cè)龃?、?nèi)部應(yīng)力集中，降低循環(huán)穩(wěn)定性。②缺陷工程：材料中的點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷或體缺陷可以提供額外的鋰離子傳輸通道，降低擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，加速離子遷移，從而提高電導(dǎo)率和倍率性能。同時(shí)，合適的缺陷可以調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)，影響其電化學(xué)活性。③形貌控制：材料的不同形貌（如納米顆粒、納米線、納米片、多孔結(jié)構(gòu)）具有不同的表面能和體積比，會(huì)影響鋰離子的接觸面積、擴(kuò)散路徑和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，納米線/納米片結(jié)構(gòu)有利于縮短鋰離子擴(kuò)散距離，提高倍率性能；多孔結(jié)構(gòu)則有利于電解液浸潤(rùn)和離子傳輸，提高倍率性能和容量。④結(jié)構(gòu)梯度/異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：構(gòu)建具有核殼結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)或異質(zhì)界面的材料，可以使不同相或不同結(jié)構(gòu)的區(qū)域承擔(dān)不同的功能（如高容量區(qū)與高穩(wěn)定性區(qū)），或形成內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)鋰離子傳輸，從而同時(shí)優(yōu)化容量、倍率性能和循環(huán)壽命。這些微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控策略的核心在于通過(guò)改變材料的表面積、離子擴(kuò)散路徑、電子/離子電導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等，來(lái)協(xié)同調(diào)控其儲(chǔ)能性能。2.(示例：選擇鋰離子電池正極材料LiFePO4)LiFePO4是一種磷酸鐵鋰化合物，作為鋰離子電池正極材料，其關(guān)鍵特性要求主要包括：①高且穩(wěn)定的理論容量（約170mAh/g）；②良好的循環(huán)穩(wěn)定性（在充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，不易發(fā)生粉化或副反應(yīng)）；③較寬的工作電壓范圍（約3.45-3.5VvsLi/Li+）；④充放電過(guò)程中體積變化?。虎輰?duì)環(huán)境相對(duì)友好（無(wú)毒、無(wú)重金屬污染）；⑥資源豐富、成本較低。當(dāng)前研究中為了優(yōu)化LiFePO4的特性所采用的主要策略包括：①納米化：將LiFePO4粒徑減小到納米級(jí)別，可以大幅提高其比表面積，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，從而顯著提升其倍率性能。②結(jié)構(gòu)改性與形貌控制：通過(guò)摻雜（如錳、鎳、鈷、鋁等）來(lái)調(diào)節(jié)LiFePO4的電子結(jié)構(gòu)，提高其電導(dǎo)率；通過(guò)調(diào)控合成方法（如水熱法、溶膠-凝膠法）制備具有特定形貌（如納米線、納米片、中空結(jié)構(gòu)）