2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——能源化學在生態(tài)系統(tǒng)修復中的突破考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述能源化學在解決當前環(huán)境問題中的重要作用，并列舉至少三種能源化學技術及其在生態(tài)系統(tǒng)修復中的應用方向。二、以太陽能光催化技術為例，闡述其原理，并說明其在水體或土壤污染修復中的具體應用過程。請指出該技術在實際應用中面臨的主要挑戰(zhàn)。三、電化學高級氧化技術（AOPs）是能源化學在污染治理中的一種重要應用。請簡述其基本原理，并比較芬頓/類芬頓法與電化學氧化法在處理難降解有機污染物方面的優(yōu)缺點。四、生物質能作為一種可再生能源，在生態(tài)系統(tǒng)修復中扮演著何種角色？請結合能源化學的視角，論述生物質能源化利用（如厭氧消化產(chǎn)沼氣、熱解制油等）在修復退化生態(tài)系統(tǒng)或實現(xiàn)資源循環(huán)方面的潛力與意義。五、微生物燃料電池（MFC）技術結合了能源生產(chǎn)與污染修復。請描述MFC的基本工作原理，并探討其在處理廢水的同時發(fā)電或產(chǎn)氫方面的應用前景及需要克服的技術瓶頸。六、近年來，納米能源化學材料在生態(tài)系統(tǒng)修復領域展現(xiàn)出巨大潛力。請選擇一種納米能源化學材料（如納米催化劑、納米電極材料等），闡述其特性，并說明其在特定生態(tài)修復任務（如重金屬去除、持久性有機污染物降解）中的作用機制。七、能源化學與生態(tài)修復的交叉融合是一個充滿挑戰(zhàn)與機遇的領域。請結合你所學知識，分析當前該領域發(fā)展面臨的主要科學問題和技術挑戰(zhàn)，并就未來研究方向提出你的見解。八、設想一個利用可再生能源驅動的集成式生態(tài)修復系統(tǒng)，該系統(tǒng)需包含能源轉換/儲存環(huán)節(jié)和至少兩種不同的生態(tài)修復技術。請簡述該系統(tǒng)的設計思路、工作流程及其優(yōu)勢。試卷答案一、能源化學通過提供清潔能源、開發(fā)高效能量轉換與存儲技術、設計新型功能材料等，為減少環(huán)境污染、修復受損生態(tài)系統(tǒng)提供了關鍵支撐。例如：1.太陽能光/電轉換技術：可用于驅動光催化、電化學修復等過程，實現(xiàn)污染物原位降解。2.電化學技術：如電化學高級氧化、電沉積等，用于水體、土壤和底泥的污染治理。3.生物質能技術：通過厭氧消化、氣化等將生物質轉化為能源，減少廢棄物排放，助力土壤改良和碳循環(huán)。4.燃料電池技術：可為修復設備提供清潔、高效的電能。5.儲能技術：如電池儲能，保障可再生能源在生態(tài)修復中的穩(wěn)定應用。二、原理：太陽能光催化技術利用半導體材料（如TiO2）在光照下產(chǎn)生強氧化性的自由基（如·OH,O2·-），這些自由基能夠攻擊并降解有機污染物分子，將其礦化為CO2和H2O。應用過程（以水體為例）：1.光能吸收：半導體光催化劑吸收太陽光（特別是紫外光或可見光）。2.光生載流子：吸收能量導致電子-空穴對（e-/h+）產(chǎn)生。3.表面反應：光生電子和空穴在催化劑表面分別與吸附在表面的水或氧氣反應，產(chǎn)生·OH和O2·-等活性物種。4.污染物降解：活性物種攻擊吸附在催化劑表面的有機污染物，通過氧化、還原等途徑將其降解為小分子物質。5.礦化：最終產(chǎn)物為無機小分子（如CO2,H2O）。主要挑戰(zhàn)：1.光吸收效率低：許多寬帶隙半導體對太陽光譜利用率不高。2.光生載流子分離與傳輸效率低：e-/h+易復合，限制了量子效率。3.催化劑穩(wěn)定性與壽命：易發(fā)生團聚、失活。4.反應動力學：對于復雜污染物，降解速率可能較慢。5.成本與規(guī)?；瘧茫焊咝Т呋瘎┲苽涑杀靖?，實際工程應用放大存在困難。三、原理：電化學高級氧化技術（AOPs）通過電極反應產(chǎn)生強氧化性的活性物種（主要是·OH），在電場驅動下直接或間接氧化水體中的有機污染物，使其礦化為無害的小分子物質。包括陽極氧化（如AnodicOxidation,AnodicPeroxidation）和陰極還原（如Electro-Fenton,ElectrochemicalReductionofPersulfate）等。優(yōu)缺點比較：|特性|芬頓/類芬頓法|電化學氧化法||------------|---------------------------------|-----------------------------------||原理|催化H2O2分解產(chǎn)生·OH|電極反應直接或間接產(chǎn)生·OH等活性物種||催化劑|需要外加過渡金屬離子（如Fe2+）和催化劑|可使用金屬或非金屬電極作為催化劑||pH適用性|通常在酸性條件下效果較好|適應性較廣，可通過調控電解液pH調節(jié)||操作|需要添加藥劑，可能產(chǎn)生二次污染|無需外加催化劑（電極即可），操作相對簡單||選擇性|較低，可能對某些物質效果不佳|可通過調控電極材料、電位等提高選擇性||能耗|能耗相對較低（主要是H2O2制備和加藥）|能耗較高（水電轉換效率有限）||優(yōu)勢|去除率通常較高，技術成熟|設備簡單，可原位處理，易于控制||缺點|藥劑成本，二次污染風險，pH限制|能耗高，電極易極化/腐蝕，整體效率可能不高|四、生物質能通過將植物、動物糞便、有機廢棄物等生物質資源轉化為能源（如沼氣、生物燃料），在生態(tài)系統(tǒng)修復中具有多重作用：1.廢棄物資源化：將農業(yè)、林業(yè)、生活等產(chǎn)生的有機廢棄物轉化為清潔能源和肥料，減少環(huán)境污染，改善土壤結構。2.減少溫室氣體排放：相比化石燃料，生物質能源化利用可實現(xiàn)碳的循環(huán)，有助于緩解氣候變化。3.支持生態(tài)農業(yè)：生物質能源（如沼氣工程）可為農業(yè)設施提供能源，減少對化石能源的依賴，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。4.修復退化土地：生物質能源化利用過程產(chǎn)生的沼渣、沼液等是優(yōu)質的有機肥，施用于退化土地可改良土壤，促進植被恢復。5.促進資源循環(huán)：構建了“能源生產(chǎn)-生態(tài)修復-物質循環(huán)”的閉環(huán)系統(tǒng)，提高了資源利用效率。五、基本工作原理：微生物燃料電池（MFC）是一個生物化學系統(tǒng)，它通過微生物群落催化氧化底物（如有機廢水），將化學能直接轉化為電能。主要包含陽極室、陰極室、質子交換膜（PEM）和外部電路。在陽極室，微生物降解有機物，失去電子，電子通過外電路流向陰極，同時質子通過PEM遷移到陰極。在陰極室，電子、質子和氧氣發(fā)生還原反應生成水。應用前景與瓶頸：應用前景：1.廢水處理同時發(fā)電/產(chǎn)氫：實現(xiàn)污染治理與能源回收的雙重目標，尤其適用于低濃度有機廢水處理。2.資源回收：可從廢水中回收磷、氮等營養(yǎng)物質或能源物質（如氫氣）。3.生物傳感器：可用于監(jiān)測水體污染物。技術瓶頸：1.功率密度低：單位體積或重量的產(chǎn)電量不高，難以滿足大規(guī)模應用需求。2.有機底物限制：對易降解有機物的處理效果好，對難降解有機物效果差。3.微生物群落管理：微生物活性受多種因素影響，優(yōu)化菌種和培養(yǎng)條件是關鍵。4.電極材料與結構：需要開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價且具有高比表面積的陽極和陰極材料。5.系統(tǒng)集成與成本：大規(guī)模集成系統(tǒng)的設計、制造成本和運行維護成本較高。六、選擇：納米TiO2光催化材料。特性：1.高比表面積：納米尺度使其具有巨大的比表面積，提供更多活性位點。2.優(yōu)異的光催化活性：可吸收紫外光和部分可見光，產(chǎn)生高活性的自由基。3.化學穩(wěn)定性好：在水、酸、堿環(huán)境中穩(wěn)定，不易腐蝕。4.生物相容性好：本身無毒，在環(huán)境應用中安全性高。5.易于制備和改性：可通過多種方法合成，并可表面修飾以增強特定性能。作用機制（在重金屬去除中）：1.吸附：納米TiO2通過表面羥基或與其他物質吸附重金屬離子（如Cu2+,Pb2+,Cd2+）。2.光催化還原/氧化：*還原：在光照下，光生電子還原重金屬離子，使其形成金屬單質沉淀或轉化為毒性較低的形態(tài)（如PbS）。*氧化：光生空穴氧化重金屬還原性配體或水分子，間接促進重金屬沉淀。3.協(xié)同作用：納米TiO2的光催化活性可促進某些氧化還原反應，加速重金屬的遷移轉化和固定。七、主要科學問題與技術挑戰(zhàn)：1.基礎科學問題：能源化學過程（如電荷轉移、催化反應）在復雜生物地球化學環(huán)境（如不同pH、離子強度、共存物質）中的微觀機制；生物體與材料/能源系統(tǒng)的相互作用機理。2.技術挑戰(zhàn)：*高效、穩(wěn)定、低成本的催化劑/功能材料設計：需要理論計算與實驗合成相結合，開發(fā)性能優(yōu)異且環(huán)境友好的材料。*可再生能源高效、穩(wěn)定、低成本轉換與存儲：提升太陽能、風能等可再生能源的利用效率，解決其波動性問題。*能源化學技術與生態(tài)修復過程的深度融合：實現(xiàn)系統(tǒng)層面的優(yōu)化匹配，如能量輸入與修復需求的自適應調控。*規(guī)?；瘧门c經(jīng)濟可行性：降低技術成本，建立可靠、經(jīng)濟的工程化應用模式。*長期環(huán)境影響評估與風險控制：評估材料釋放、能源消耗等對生態(tài)系統(tǒng)的長期影響。未來研究方向：1.開發(fā)智能響應材料：設計能感知環(huán)