2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——化學(xué)物理方法在催化反應(yīng)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述熱力學(xué)在催化反應(yīng)研究中的作用，并列舉三個(gè)常用的熱力學(xué)參數(shù)。2.解釋什么是催化劑的活性位點(diǎn)，并說(shuō)明如何利用紅外光譜（IR）技術(shù)研究催化劑的活性位點(diǎn)。3.程序升溫還原（TPR）實(shí)驗(yàn)可以提供哪些關(guān)于催化劑的信息？4.比較核磁共振（NMR）和電子順磁共振（EPR）技術(shù)在催化反應(yīng)研究中的異同。5.簡(jiǎn)述流動(dòng)化學(xué)在催化反應(yīng)研究中的優(yōu)勢(shì)。6.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，用于研究某種固體酸催化劑在酯化反應(yīng)中的作用。二、論述題（每題10分，共20分）1.論述表面科學(xué)在理解和設(shè)計(jì)高效催化劑中的重要性。2.選擇一種你熟悉的光催化反應(yīng)，詳細(xì)闡述其反應(yīng)機(jī)理，并說(shuō)明如何利用化學(xué)物理方法研究該反應(yīng)。三、綜合應(yīng)用題（20分）某研究小組想研究一種新型金屬有機(jī)框架材料（MOF）作為催化劑，用于將二氧化碳（CO2）還原為甲醇（CH3OH）。請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明他們可以采用哪些化學(xué)物理方法來(lái)表征該MOF材料的結(jié)構(gòu)和性能，并分析這些方法如何幫助他們理解CO2還原為甲醇的反應(yīng)機(jī)理。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.熱力學(xué)可以用于判斷催化反應(yīng)的可能性（吉布斯自由能變化ΔG）、確定反應(yīng)平衡常數(shù)、評(píng)估反應(yīng)熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。常用參數(shù)包括：標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變（ΔG°）、標(biāo)準(zhǔn)焓變（ΔH°）、標(biāo)準(zhǔn)熵變（ΔS°）。*解析思路：*考察對(duì)熱力學(xué)基本概念及其在催化中應(yīng)用的理解。需要回答熱力學(xué)的作用（判斷可能性、平衡、驅(qū)動(dòng)力）并列舉關(guān)鍵參數(shù)。2.催化劑表面的特定原子、原子團(tuán)或位點(diǎn)，能夠吸附反應(yīng)物，降低反應(yīng)活化能，從而加速反應(yīng)。利用紅外光譜（IR）研究活性位點(diǎn)可以通過(guò)表面增強(qiáng)紅外光譜（SEIR）技術(shù)檢測(cè)吸附在催化劑表面的反應(yīng)物或中間體分子，或通過(guò)特征紅外吸收峰判斷活性位點(diǎn)種類(lèi)（如金屬與氧的振動(dòng)）。*解析思路：*考察對(duì)活性位點(diǎn)定義的理解以及IR技術(shù)在研究活性位點(diǎn)方面的具體應(yīng)用方法。需要區(qū)分一般IR和SEIR的應(yīng)用。3.TPR實(shí)驗(yàn)可以提供關(guān)于催化劑還原條件、還原溫度、活性組分種類(lèi)（如金屬單質(zhì)、氧化物）、載體的類(lèi)型和含量、以及金屬分散度的信息。*解析思路：*考察對(duì)TPR實(shí)驗(yàn)原理及其信息的掌握。需要列舉TPR能提供的主要信息類(lèi)別。4.NMR（核磁共振）主要用于確定原子（尤其是氫原子）的化學(xué)環(huán)境，提供結(jié)構(gòu)信息。EPR（電子順磁共振）用于檢測(cè)含有未成對(duì)電子的物種（如自由基、過(guò)渡金屬離子），提供電子結(jié)構(gòu)、對(duì)稱(chēng)性、配位環(huán)境等信息。兩者都是原位或工況表征手段，但檢測(cè)對(duì)象和提供的信息類(lèi)型不同。*解析思路：*考察對(duì)NMR和EPR基本原理、檢測(cè)對(duì)象和主要應(yīng)用領(lǐng)域的比較理解。5.流動(dòng)化學(xué)在催化反應(yīng)研究中的優(yōu)勢(shì)包括：反應(yīng)物濃度高、傳質(zhì)效率高、易于控制反應(yīng)條件（溫度、壓力、流速）、反應(yīng)時(shí)間短、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化生產(chǎn)、減少副產(chǎn)物生成。*解析思路：*考察對(duì)流動(dòng)化學(xué)相對(duì)于傳統(tǒng)間歇反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)的理解，需要列舉多個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。6.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：①催化劑準(zhǔn)備：稱(chēng)取一定量的固體酸催化劑，干燥備用。②反應(yīng)體系：將催化劑、醇（底物）和羧酸（酸催化劑或與醇種類(lèi)不同）置于反應(yīng)器中，加入少量水作為反應(yīng)介質(zhì)。③反應(yīng)條件：設(shè)定反應(yīng)溫度（如80-120°C）、壓力（常壓或稍加壓力）和攪拌速度，控制反應(yīng)時(shí)間（如幾小時(shí)）。④產(chǎn)物分析：反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾分離催化劑，用氣相色譜（GC）或高效液相色譜（HPLC）分析產(chǎn)物（目標(biāo)酯）和未反應(yīng)醇的含量。⑤重復(fù)實(shí)驗(yàn)：更換不同的固體酸催化劑或改變反應(yīng)條件（溫度、時(shí)間）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。*解析思路：*考察設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方案的能力，包括催化劑準(zhǔn)備、反應(yīng)體系、條件控制、產(chǎn)物分析等基本環(huán)節(jié)，針對(duì)酯化反應(yīng)設(shè)置。二、論述題1.表面科學(xué)通過(guò)研究物質(zhì)表面和界面處的結(jié)構(gòu)、組成、電子性質(zhì)和物理化學(xué)行為，能夠揭示催化劑表面活性位點(diǎn)的本質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理、吸附-脫附行為、表面擴(kuò)散等關(guān)鍵過(guò)程。這有助于理解催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性，為理性設(shè)計(jì)新型高效催化劑（如精確調(diào)控活性位點(diǎn)種類(lèi)和數(shù)量、優(yōu)化表面電子結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)穩(wěn)定性）提供理論指導(dǎo)，是開(kāi)發(fā)更優(yōu)異催化劑不可或缺的基礎(chǔ)。*解析思路：*考察對(duì)表面科學(xué)核心內(nèi)容及其在催化劑設(shè)計(jì)、機(jī)理研究、活性/選擇性/穩(wěn)定性理解中作用的深入理解。需要從原理、作用、應(yīng)用等多個(gè)層面進(jìn)行論述，強(qiáng)調(diào)其重要性。2.（以CO2加氫制甲醇為例）反應(yīng)機(jī)理：CO2首先在催化劑表面金屬活性位點(diǎn)（如Ru、Rh）上發(fā)生吸附并活化（形成CO2*），然后可能經(jīng)歷與氫的協(xié)同吸附或中間體轉(zhuǎn)化（如形成*OH、*CHO），接著經(jīng)過(guò)一系列表面反應(yīng)步驟（如*C-O鍵形成、*OH脫附），最終生成甲醇吸附物種（*CH3OH），最后甲醇脫附?；瘜W(xué)物理方法研究：①紅外光譜（IR）：檢測(cè)吸附物種（CO2*,*OH,*CHO,*CH3OH）的特征吸收峰，判斷反應(yīng)路徑。②X射線光電子能譜（XPS）：分析催化劑表面元素組成和化學(xué)態(tài)，判斷活性位點(diǎn)。③透射電子顯微鏡（TEM）/掃描電子顯微鏡（SEM）：觀察催化劑形貌、粒徑和分散度。④傅里葉變換紅外衰減全反射光譜（ATR-FTIR）：在接近反應(yīng)條件下研究表面吸附和反應(yīng)。⑤原位拉曼光譜：研究反應(yīng)過(guò)程中催化劑表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化。⑥動(dòng)力學(xué)習(xí)征：研究反應(yīng)速率與溫度、壓力、催化劑的關(guān)系，確定反應(yīng)級(jí)數(shù)和速率方程，驗(yàn)證機(jī)理。*解析思路：*考察對(duì)特定催化反應(yīng)（CO2加氫制甲醇）機(jī)理的理解，并能結(jié)合多種化學(xué)物理方法進(jìn)行反應(yīng)機(jī)理研究的設(shè)計(jì)能力。需要概述機(jī)理步驟，并具體說(shuō)明每種方法如何提供信息來(lái)支持機(jī)理的建立。三、綜合應(yīng)用題表征方法：①X射線衍射（XRD）：分析MOF的晶體結(jié)構(gòu)、相純度、晶粒尺寸。②N?吸附-脫附等溫線（BET）：測(cè)定MOF的比表面積、孔徑分布和孔體積。③掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）：觀察MOF的形貌、粒徑、分散性和堆積結(jié)構(gòu)。④傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：確認(rèn)MOF的框架結(jié)構(gòu)（通過(guò)特征官能團(tuán)吸收峰）和吸附物種（通過(guò)CO?或反應(yīng)物/中間體的特征峰）。⑤紫外-可見(jiàn)光譜（UV-Vis）或熒光光譜：研究MOF的光學(xué)性質(zhì)，判斷其對(duì)光子的吸收和發(fā)射特性。⑥原位表征（如原位紅外、原位XRD）：在反應(yīng)條件下監(jiān)測(cè)MOF結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)狀態(tài)的變化，直接關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)與催化性能。⑦催化性能測(cè)試：通過(guò)固定床或流動(dòng)池反應(yīng)器，在光照或特定條件下進(jìn)行CO?還原為甲醇的催化反應(yīng)，測(cè)定產(chǎn)率、選擇性和活性。反應(yīng)機(jī)理分析：利用上述表征方法獲得的信息可以分析：MOF的孔道結(jié)構(gòu)和尺寸是否有利于CO?和反應(yīng)物（如H?）的擴(kuò)散和吸附；MOF的活性位點(diǎn)（如金屬節(jié)點(diǎn)、路易斯酸位點(diǎn)）的種類(lèi)、數(shù)量和電子性質(zhì)，以及它們與CO?和H?的相互作用；反應(yīng)過(guò)程中MOF結(jié)構(gòu)和表面物種的變化，例如是否發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌或官能團(tuán)活化；不同表征手段結(jié)合（如原位紅外監(jiān)測(cè)