2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——新型催化劑在應(yīng)用化學(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種方法通常不被認(rèn)為是制備納米尺度新型催化劑的有效方法？A.溶膠-凝膠法B.水熱法C.沉淀法D.蒸汽沉積法2.對(duì)于多相催化劑，以下哪項(xiàng)不是其高催化活性的關(guān)鍵因素？A.大的比表面積B.良好的熱穩(wěn)定性C.高度的分散性和合適的晶粒尺寸D.與反應(yīng)物的化學(xué)親和力過(guò)強(qiáng)3.在綠色化學(xué)背景下，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)主要應(yīng)用于什么工業(yè)過(guò)程的煙氣處理？A.硫酸生產(chǎn)B.氨合成C.氮氧化物（NOx）的脫除D.一氧化碳（CO）的氧化4.下列哪種有機(jī)合成反應(yīng)通常需要使用Pd/C作為催化劑？A.醛的還原B.硝基苯的還原C.苯乙烯的氫化D.乙炔的酸催化加成5.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料作為新型催化劑或催化劑載體，其主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.成本極低B.穩(wěn)定性差，易于失活C.具有可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境D.僅適用于氣相催化反應(yīng)6.光催化技術(shù)處理水污染時(shí)，利用半導(dǎo)體催化劑吸收哪種類型的輻射？A.紅外輻射B.可見(jiàn)光C.紫外線D.伽馬射線7.電催化水分解制氫過(guò)程中，哪種金屬通常被用作陽(yáng)極材料？A.鉑（Pt）B.釕（Ru）C.銥（Ir）D.鈦（Ti）8.在設(shè)計(jì)負(fù)載型催化劑時(shí)，選擇合適的載體對(duì)于催化劑性能的影響不包括？A.提供大的比表面積B.調(diào)節(jié)催化劑的電子性質(zhì)C.確保催化劑的高穩(wěn)定性D.直接決定催化劑的活性中心種類9.下列哪項(xiàng)技術(shù)是研究催化劑表面原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)態(tài)的常用手段？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.比表面積及孔徑分析儀（BET）10.智能催化劑相比傳統(tǒng)催化劑，其一個(gè)潛在的特點(diǎn)是？A.催化活性固定不變B.僅能在特定溫度下工作C.能夠?qū)Νh(huán)境變化（如pH、濃度）做出響應(yīng)并調(diào)節(jié)自身性能D.制備過(guò)程非常復(fù)雜昂貴二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.基于金屬有機(jī)框架（MOFs）材料設(shè)計(jì)的催化劑，其孔道大小和化學(xué)環(huán)境可以通過(guò)選擇不同的__________和__________進(jìn)行精確調(diào)控。2.在多相催化反應(yīng)中，反應(yīng)物分子需要在催化劑表面經(jīng)歷吸附、表面反應(yīng)和產(chǎn)物脫附等步驟，這些步驟的__________決定了催化劑的宏觀反應(yīng)速率。3.選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)中，常用的催化劑活性組分之一是釩鈦系（V2O5-WO3/TiO2）中的__________。4.均相催化反應(yīng)通常使用液相催化劑，這類催化劑的優(yōu)點(diǎn)之一是__________，但缺點(diǎn)是產(chǎn)物容易與催化劑__________，分離困難。5.電催化反應(yīng)發(fā)生在__________和__________的界面處，通過(guò)改變電極電勢(shì)來(lái)控制反應(yīng)的方向和速率。6.“綠色化學(xué)”原則提倡使用環(huán)境友好的催化劑，以減少副產(chǎn)物生成和降低能耗，例如，使用__________代替貴金屬催化劑。7.催化劑的比表面積通常用__________（BET）法來(lái)測(cè)定，它對(duì)于多相催化反應(yīng)的__________至關(guān)重要。8.在CO2電還原反應(yīng)中，目標(biāo)是利用電能將CO2轉(zhuǎn)化為具有更高價(jià)值的化學(xué)品，例如__________或甲烷。9.模板法是制備具有特定孔道結(jié)構(gòu)催化劑的一種重要方法，該方法通常需要使用一種__________作為模板劑，反應(yīng)后模板劑需要被去除。10.仿生催化是模仿自然界生物酶催化機(jī)理來(lái)設(shè)計(jì)新型催化劑的一個(gè)前沿方向，生物酶催化通常具有高_(dá)_________、高_(dá)_________和良好的環(huán)境友好性。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請(qǐng)給出precise的定義）1.催化活性2.催化選擇性3.負(fù)載型催化劑4.光催化量子效率5.智能催化劑四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述水熱法在制備新型多相催化劑時(shí)相比于常規(guī)室溫制備方法的主要優(yōu)勢(shì)。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明為什么在燃料電池中，電催化劑的穩(wěn)定性和抗中毒能力至關(guān)重要。3.比較均相催化和多相催化在反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、選擇性、催化劑分離與回收方面的主要區(qū)別。4.為什么說(shuō)設(shè)計(jì)用于CO2資源化利用的新型催化劑是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)？五、論述題（每小題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行較為全面和深入的論述）1.論述負(fù)載型催化劑中，催化劑活性組分、載體以及它們之間的相互作用（如電子效應(yīng)、空間位阻效應(yīng)）如何共同影響催化劑的總體催化性能。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述新型無(wú)機(jī)或有機(jī)催化劑在開發(fā)綠色、高效有機(jī)合成路線方面的應(yīng)用潛力與面臨的挑戰(zhàn)。3.闡述電催化技術(shù)在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)（如水電解制氫、二氧化碳電還原）領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題以及未來(lái)的研究方向。---試卷答案一、選擇題1.D*解析：蒸汽沉積法通常用于薄膜沉積，較少用于塊狀或粉末狀納米催化劑的制備。溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法都是制備納米催化劑的常用化學(xué)方法。2.D*解析：高催化活性需要反應(yīng)物易于吸附在活性位點(diǎn)，表面反應(yīng)能壘低，產(chǎn)物易于脫附。與反應(yīng)物化學(xué)親和力過(guò)強(qiáng)可能導(dǎo)致反應(yīng)物在表面過(guò)度積累，反而降低反應(yīng)速率。3.C*解析：選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是利用還原劑（如氨、尿素）在催化劑作用下將工業(yè)煙氣中的氮氧化物（NOx）選擇性地轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?.C*解析：Pd/C是一種常用的鈀基催化劑，主要用于加氫反應(yīng)，特別是碳-碳不飽和鍵（如烯烴、炔烴）的氫化。苯乙烯是烯烴，其氫化反應(yīng)常用Pd/C催化。5.C*解析：MOFs材料由金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)連接體自組裝而成，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)設(shè)計(jì)合成具有高度可調(diào)的孔道尺寸、形狀、化學(xué)環(huán)境和表面性質(zhì)的材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)催化性能的定制。6.C*解析：光催化反應(yīng)需要半導(dǎo)體催化劑吸收能量足夠的photons來(lái)激發(fā)電子-空穴對(duì)，紫外線的能量最高，最常被用于激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子。7.D*解析：在水電解制氫中，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，需要一種在氧化條件下穩(wěn)定且能催化氧析出的電極材料。鈦（Ti）本身活性較低，但其表面可以負(fù)載催化活性更高的貴金屬或氧化物（如RuO2,IrO2），自身作為基底層，具有良好的穩(wěn)定性和成本效益。8.D*解析：載體主要提供比表面積、分散活性組分、提高熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等?；钚灾行牡姆N類主要由負(fù)載的催化物種決定，而非載體直接決定。9.C*解析：X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料表面的元素組成、化學(xué)態(tài)（價(jià)態(tài)）和電子結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于理解催化劑表面活性位點(diǎn)的性質(zhì)至關(guān)重要。XRD分析晶體結(jié)構(gòu)，TEM觀察微觀形貌，BET測(cè)定比表面積和孔結(jié)構(gòu)。10.C*解析：智能催化劑是指能夠感知外界環(huán)境變化（如溫度、pH、反應(yīng)物濃度、電信號(hào)等）并自動(dòng)調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)或性能以優(yōu)化催化效果的催化劑。二、填空題1.金屬有機(jī)配體，有機(jī)連接體*解析：MOFs的結(jié)構(gòu)單元是金屬離子/簇（節(jié)點(diǎn)）和有機(jī)配體（連接體），通過(guò)配位鍵自組裝形成三維網(wǎng)絡(luò)。2.速率控制步驟*解析：多相催化反應(yīng)的總速率通常由最慢的一步?jīng)Q定，即反應(yīng)的速率控制步驟。3.V2O5*解析：在典型的釩鈦系SCR催化劑（V2O5-WO3/TiO2）中，V2O5是主要的活性組分，對(duì)NO的吸附和氧化起關(guān)鍵作用。4.選擇性好/反應(yīng)條件溫和，失活*解析：均相催化劑通常在較溫和的條件下具有高選擇性和活性，但反應(yīng)后產(chǎn)物與催化劑互溶，難以分離，導(dǎo)致催化劑失活。5.電極，電解質(zhì)溶液*解析：電催化反應(yīng)發(fā)生在電極材料與電解質(zhì)溶液構(gòu)成的界面區(qū)域。6.非貴金屬（如Cu,Ni,Co等）*解析：綠色化學(xué)推動(dòng)使用環(huán)境友好且成本更低的催化劑，非貴金屬催化劑是替代貴金屬（如Pt,Pd）的重要方向。7.比表面積，活性*解析：BET法測(cè)定比表面積，比表面積直接關(guān)系到單位質(zhì)量催化劑所提供的活性位點(diǎn)數(shù)量，對(duì)催化活性有決定性影響。8.碳醇（如甲酸鹽），有機(jī)分子（如甲醇）*解析：CO2電還原可以生成多種化學(xué)品，碳醇類（如甲酸鹽、乙醇）和含氧有機(jī)分子（如甲醇）是其常見(jiàn)的目標(biāo)產(chǎn)物。9.可溶性*解析：模板法利用可溶性模板劑在特定位置引導(dǎo)生成具有預(yù)定孔道結(jié)構(gòu)的材料，反應(yīng)完成后需要通過(guò)溶解去除模板劑。10.效率，特異性（或手性）*解析：生物酶催化通常具有極高的催化效率（turnovernumber）和高度特異性（或?qū)τ尺x擇性），能夠精準(zhǔn)地催化特定反應(yīng)。三、名詞解釋1.催化活性：指催化劑改變反應(yīng)速率的能力，通常用單位時(shí)間內(nèi)、單位催化劑量（或質(zhì)量）下反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的量來(lái)衡量。2.催化選擇性：指催化劑促使目標(biāo)產(chǎn)物生成的能力，包括區(qū)域選擇性、立體選擇性、化學(xué)選擇性等，即催化劑對(duì)反應(yīng)路徑的控制能力。3.負(fù)載型催化劑：指將催化活性組分（通常是納米顆?；蚪饘冫}等）負(fù)載在多孔的載體（如硅膠、氧化鋁、活性炭、沸石等）上的催化劑，旨在提高活性組分的分散度、穩(wěn)定性并便于分離回收。4.光催化量子效率：指在光催化反應(yīng)中，吸收光能產(chǎn)生有效光生載流子（用于參與反應(yīng)）的分子（或原子）數(shù)與吸收的光子總數(shù)之比，是衡量光催化劑性能的重要指標(biāo)。5.智能催化劑：指能夠感知外部環(huán)境刺激（如pH、溫度、濃度、電信號(hào)等）并自動(dòng)響應(yīng)，從而調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)、組成或電子性質(zhì)，以優(yōu)化催化性能或?qū)崿F(xiàn)特定功能的催化劑。四、簡(jiǎn)答題1.水熱法在制備新型多相催化劑時(shí)相比于常規(guī)室溫制備方法的主要優(yōu)勢(shì)在于：能夠提供高溫（通常100-300°C）和高壓（對(duì)應(yīng)相應(yīng)溫度下的水的飽和蒸汽壓）的反應(yīng)環(huán)境。這有利于：促進(jìn)前驅(qū)體溶解和均勻混合；抑制大顆粒的形成，有利于獲得納米級(jí)或亞微米級(jí)的細(xì)小晶粒，提高比表面積和分散度；促進(jìn)新相的形成或晶型的轉(zhuǎn)化，可能獲得具有特殊形貌或結(jié)構(gòu)的催化劑；可以在液相中同時(shí)實(shí)現(xiàn)成核、生長(zhǎng)和團(tuán)聚過(guò)程的控制，有利于制備復(fù)合材料或核殼結(jié)構(gòu)。2.在燃料電池中，電催化劑的穩(wěn)定性和抗中毒能力至關(guān)重要，因?yàn)椋喝剂想姵匦枰L(zhǎng)期在接近開路電位或接近平衡電勢(shì)的條件下工作，這會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)發(fā)生緩慢的氧化或還原溶解（即穩(wěn)定性問(wèn)題），導(dǎo)致催化劑活性逐漸下降甚至失效。此外，燃料（如氫氣中的H2O、CO，甲醇燃料中的CO2等）或反應(yīng)產(chǎn)物（如氧氣中的O2）中可能存在的雜質(zhì)（即毒物）會(huì)吸附在催化劑表面，占據(jù)活性位點(diǎn)或改變其電子結(jié)構(gòu)，從而抑制催化反應(yīng)速率（即抗中毒能力問(wèn)題）。因此，高穩(wěn)定性和高抗中毒性是燃料電池實(shí)用化、長(zhǎng)壽命運(yùn)行的關(guān)鍵保障。3.均相催化和多相催化的主要區(qū)別在于：均相催化反應(yīng)在液相中進(jìn)行，催化劑與反應(yīng)物處于同一相態(tài)，通常具有反應(yīng)速率快、選擇性好、對(duì)反應(yīng)條件（如溫度、壓力）要求相對(duì)溫和等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)物難以與催化劑分離，導(dǎo)致催化劑無(wú)法重復(fù)使用，且高濃度使用時(shí)可能存在毒性問(wèn)題。多相催化反應(yīng)在固液（或氣液、氣固）界面進(jìn)行，催化劑為固體，反應(yīng)物為氣體或液體，反應(yīng)后產(chǎn)物通常易從固相表面脫附而與催化劑分離，易于回收和重復(fù)使用，且對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)要求較低，但反應(yīng)速率可能受界面接觸面積和傳質(zhì)過(guò)程限制，有時(shí)選擇性不如均相催化，且固體催化劑的制備和分離可能較復(fù)雜。4.設(shè)計(jì)用于CO2資源化利用的新型催化劑是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要因?yàn)椋篊O2分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)不活潑，吸附在催化劑表面的親和力較弱，導(dǎo)致其活化能高，反應(yīng)難以進(jìn)行；CO2是線性分子，缺乏可供進(jìn)攻的手性中心，使得選擇性轉(zhuǎn)化為高附加值的碳鏈化合物（特別是手性分子）非常困難，容易生成甲烷等低價(jià)值產(chǎn)物；CO2在氣相中溶解度低，傳質(zhì)過(guò)程可能成為限制步驟；需要在苛刻的反應(yīng)條件下（如高溫、高壓）進(jìn)行，這對(duì)催化劑的穩(wěn)定性和抗燒結(jié)、抗腐蝕能力提出了極高要求；如何高效、低成本地實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化，并且回收純化生成的產(chǎn)物，也是實(shí)際應(yīng)用中面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。五、論述題1.負(fù)載型催化劑中，催化劑活性組分、載體以及它們之間的相互作用共同影響催化劑的總體催化性能。活性組分是執(zhí)行催化反應(yīng)的核心，其本身的化學(xué)性質(zhì)（如電子結(jié)構(gòu)、表面態(tài)）決定了反應(yīng)的能壘和選擇性。載體則起到支撐活性組分、提高其分散度（減少團(tuán)聚，增加有效接觸面積）、阻止其在反應(yīng)條件下燒結(jié)或流失的作用，從而提高催化劑的穩(wěn)定性和使用壽命。載體與活性組分之間的相互作用至關(guān)重要，它可以通過(guò)多種方式影響催化性能：電子效應(yīng)，載體可以與活性組分發(fā)生電子轉(zhuǎn)移（顯酸性或堿性的載體），改變活性組分表面原子的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其吸附能力和反應(yīng)活性；空間位阻效應(yīng)，載體表面的基團(tuán)或孔道結(jié)構(gòu)可能對(duì)活性組分表面產(chǎn)生物理阻礙，影響反應(yīng)物的吸附取向或產(chǎn)物的脫附，進(jìn)而影響反應(yīng)速率和選擇性；協(xié)同效應(yīng)，載體和活性組分之間可能發(fā)生協(xié)同作用，例如載體上的某種助劑可以促進(jìn)活性組分表面的特定反應(yīng)步驟。因此，在設(shè)計(jì)負(fù)載型催化劑時(shí)，需要綜合考慮活性組分的性質(zhì)、載體的特性以及兩者之間的界面相互作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)催化性能的優(yōu)化。2.新型無(wú)機(jī)或有機(jī)催化劑在開發(fā)綠色、高效有機(jī)合成路線方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力與面臨的挑戰(zhàn)。潛力在于：無(wú)機(jī)催化劑（如金屬氧化物、硫化物、磷化物，以及固體酸堿催化劑）通常具有高穩(wěn)定性、高活性、易于制備和回收、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可以在較溫和的條件下催化多種有機(jī)反應(yīng)，如氧化、還原、偶聯(lián)、異構(gòu)化等，符合綠色化學(xué)的原子經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性原則。有機(jī)催化劑（如金屬有機(jī)框架MOFs、共價(jià)有機(jī)框架COFs、有機(jī)金屬配合物等）則具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、孔道結(jié)構(gòu)多樣化、表面化學(xué)環(huán)境可調(diào)等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)特定反應(yīng)路徑的選擇性控制提供了新的可能性。例如，MOFs可以作為高效的固載相或反應(yīng)容器，實(shí)現(xiàn)催化劑與底物的精準(zhǔn)接觸，提高反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率；一些有機(jī)催化劑還能在可見(jiàn)光或電化學(xué)條件下催化反應(yīng)，提供更清潔、可持續(xù)的反應(yīng)方式。面臨的挑戰(zhàn)包括：部分無(wú)機(jī)催化劑的選擇性可能不高，容易產(chǎn)生副產(chǎn)物；一些高效有機(jī)催化劑（特別是金屬有機(jī)類）可能成本較高或穩(wěn)定性不足；催化劑的設(shè)計(jì)合成往往需要較高的化學(xué)專業(yè)知識(shí)；將實(shí)驗(yàn)室有效的催化劑轉(zhuǎn)化為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)可行、穩(wěn)定可靠的流程，還需要克服諸多工程化難題，如反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、催化劑壽命