2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在新能源領域的應用研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在鋰離子電池中，正極材料發(fā)生氧化反應，負極材料發(fā)生還原反應，電子通過外電路從負極流向正極。此過程體現(xiàn)了應用化學中的（）。A.光化學原理B.電化學原理C.熱力學原理D.核化學原理2.用于制備高效染料敏化太陽能電池（DSSC）的光敏半導體材料，通常需要具備的特征是（）。A.高的電導率，以利于電荷傳輸B.寬的帶隙，以吸收可見光C.良好的光化學穩(wěn)定性，以抵抗光腐蝕D.高的化學計量比，以保證穩(wěn)定性3.下列哪種材料通常被用作固體氧化物燃料電池（SOFC）的電解質(zhì)？（）A.銀合金B(yǎng).鈦酸鋇（BaTiO?）C.氧化鋁（Al?O?）D.鈦酸鋰（LiTiO?）4.在電化學儲能系統(tǒng)中，超級電容器相比于傳統(tǒng)電池，其主要優(yōu)勢在于（）。A.能量密度高B.循環(huán)壽命長C.充電速度快D.開路電壓高5.用于電催化劑的貴金屬（如鉑、銥）通常具有高催化活性的原因是（）。A.它們具有極高的化學穩(wěn)定性B.它們的功函數(shù)較低，易于吸附反應物C.它們具有非常高的電導率D.它們的原子半徑非常小6.氫燃料電池的核心反應是氫氣和氧氣在催化劑作用下生成水和釋放能量。該反應屬于（）。A.熱分解反應B.氧化還原反應C.酸堿中和反應D.加成反應7.液態(tài)氫氧燃料電池中，通常使用哪種物質(zhì)作為電解質(zhì)？（）A.固態(tài)聚合物膜（如Nafion）B.熔融碳酸鹽C.水合肼D.液態(tài)硫酸8.在太陽能電池中，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵器件是（）。A.聚光器B.轉(zhuǎn)換器C.光伏電池D.儲能單元9.用于鋰離子電池正極的磷酸鐵鋰（LiFePO?）材料，其理論比容量大約為（）。A.150mAh/gB.370mAh/gC.500mAh/gD.1700mAh/g10.下列哪種方法通常不用于制備納米結(jié)構(gòu)新能源材料？（）A.溶膠-凝膠法B.微波合成法C.溶劑萃取法D.水熱/溶劑熱法二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）1.電解池中，發(fā)生還原反應的電極稱為________極，電子流入該極。2.光伏電池的效率主要由量子效率、________效率和填充因子決定。3.儲氫材料是指能夠可逆地吸收、儲存和釋放氫氣的________或化合物。4.燃料電池通常按照電解質(zhì)的物理狀態(tài)分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、________燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）。5.在電化學阻抗譜（EIS）分析中，半圓弧通常對應于電池內(nèi)部的________阻抗。6.用于制備鈣鈦礦太陽能電池的光敏材料，其化學通式通常表示為ABX?，其中A位通常是________離子。7.鋰離子電池的循環(huán)壽命主要受到電極材料________衰減和________副反應的影響。8.染料敏化太陽能電池（DSSC）中，染料分子負責吸收光并________電子給半導體，而電解質(zhì)負責在半導體和________之間傳遞電子。9.原位表征技術(shù)可以在材料________的情況下，實時監(jiān)測其結(jié)構(gòu)或性能的變化。10.綠色化學在新能源材料合成中的應用，強調(diào)使用環(huán)境友好的溶劑、催化劑，并最大限度地減少________和廢物產(chǎn)生。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述鋰離子電池中，鋰離子在正負極材料中嵌入/脫出過程的化學原理。2.簡要說明鈣鈦礦太陽能電池相比傳統(tǒng)硅基太陽能電池的主要優(yōu)勢。3.解釋什么是燃料電池的負荷性能，并簡述影響其性能的主要因素。4.簡述儲氫材料需要具備的基本性能要求。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述應用化學在提高鋰離子電池能量密度方面的主要研究途徑和面臨的挑戰(zhàn)。2.論述電催化劑在氫燃料電池中的重要作用，并舉例說明如何通過材料設計來提高電催化劑的性能。五、設計題（10分）結(jié)合所學知識，針對當前高能量密度鋰離子電池面臨的成本和資源瓶頸問題，提出一種可能的解決方案或研究方向，并簡要說明其化學原理和潛在優(yōu)勢。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.C5.B6.B7.A8.C9.B10.C二、填空題1.正2.開路電壓3.固體4.熔融碳酸鹽5.歐姆6.堿土金屬7.容量，結(jié)構(gòu)8.傳遞，對電極9.工作狀態(tài)10.污染三、簡答題1.解析思路：鋰離子電池的工作基于鋰離子（Li?）在電場驅(qū)動下，可逆地嵌入（進入）和脫出（離開）正負極材料晶格結(jié)構(gòu)的過程。正極材料提供鋰離子嵌入的位置和通道，負極材料提供鋰離子脫出的來源（通常是鋰金屬或其合金，或具有鋰離子儲存能力的材料）。嵌入/脫出過程伴隨著材料晶格結(jié)構(gòu)的改變和電子的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)電能的儲存和釋放。例如，層狀氧化物正極（如LiCoO?）在脫鋰時，鋰離子從層間移出，留下空位；石墨負極在嵌鋰時，鋰離子進入石墨的層狀結(jié)構(gòu)中。2.解析思路：鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①轉(zhuǎn)換效率高，實驗室認證效率已超過26%，優(yōu)于傳統(tǒng)單晶硅；②制備工藝相對簡單，可使用溶液法制備，成本潛力低；③光譜響應范圍廣，可吸收可見光甚至近紅外光；④與其他材料（如硅）易于結(jié)合制備疊層電池，進一步提升效率。3.解析思路：燃料電池的負荷性能是指燃料電池在特定操作條件下（如溫度、壓力），其輸出功率隨輸入電流（或負荷）變化的能力，即功率密度。影響其性能的主要因素包括：①電催化劑的活性（影響電極反應速率）；②電解質(zhì)的離子電導率；③氣體擴散層的透氣性和反應物傳輸阻力；④電堆的密封性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；⑤系統(tǒng)的熱管理效率。4.解析思路：儲氫材料需具備：①高儲氫容量（單位質(zhì)量或體積能儲存的氫氣量）；②恰當?shù)膬Ψ艢錅囟群蛪毫Γㄒ子趯崿F(xiàn)氫氣的儲存和釋放）；③快速的吸放氫動力學性能（反應速率快）；④良好的循環(huán)穩(wěn)定性（多次吸放氫后性能衰減小）；⑤安全性（不易爆炸、無毒）；⑥成本經(jīng)濟性。四、論述題1.解析思路：提高鋰離子電池能量密度的主要途徑是增加單位質(zhì)量或體積的電池所儲存的能量。應用化學可以從以下幾個方面著手：①開發(fā)高電壓正極材料，如高鎳層狀氧化物（NCM）、富鋰材料、聚陰離子型材料等，以拓寬電池的工作電壓窗口；②開發(fā)高容量負極材料，如硅基負極、合金負極（如Sn-Si合金）、硅氧復合負極等，以大幅提升鋰離子嵌入/脫出的容量；③優(yōu)化電解液，使用高電壓電解液添加劑、新型溶劑、固態(tài)電解質(zhì)等，以匹配高電壓體系并提高安全性；④實現(xiàn)硅負極的大規(guī)模應用，克服其循環(huán)穩(wěn)定性差、膨脹嚴重等問題。面臨的挑戰(zhàn)包括：新材料的成本、安全性、循環(huán)壽命問題；材料設計理論的深入理解；規(guī)?；苽涔に嚨膬?yōu)化；電池管理系統(tǒng)與高能量密度電池的匹配等。2.解析思路：電催化劑在氫燃料電池中起著至關(guān)重要的作用，它顯著降低了燃料電池反應（氫氧化反應和氧還原反應）的過電勢，從而提高了電池的電流密度、電壓和功率密度，是決定燃料電池性能的核心因素。應用化學通過材料設計來提高電催化劑性能主要體現(xiàn)在：①合成具有特定電子結(jié)構(gòu)、高表面積、優(yōu)異本征活性的催化劑材料，如通過調(diào)控貴金屬（Pt）的納米結(jié)構(gòu)（核殼結(jié)構(gòu)、合金化）、非貴金屬催化劑（NiFe合金、Co-N-C）的表面化學狀態(tài)和缺陷等來提高ORR/OER活性；②開發(fā)高效且耐腐蝕的催化劑載體，如碳材料（石墨烯、碳納米管）、金屬氧化物等，以增加催化劑的分散度、穩(wěn)定性和電子傳導性；③利用計算化學和理論計算指導材料設計，預測和篩選具有更高催化活性的新物質(zhì)；④研究催化劑與電解質(zhì)、氣體擴散層等的界面相互作用，優(yōu)化整體電化學性能。五、設計題解析思路：針對鋰資源稀缺和成本問題，可考慮以下方向：開發(fā)無需使用金屬鋰或鋰需求量大幅減少的電池體系，如鈉離子電池、鉀離子電池、鋅離子電池等。其中，鈉離子電池資源豐富、成本低廉，且部分正負極材料（如普魯士藍類似物、硬碳）與鋰離子電池具有相似的嵌入機制，是極具潛力的替代方案。研究方向可包括：①設計高容量、高電壓、長壽命的鈉離子電