2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程中的環(huán)境能源利用考試時間：______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）1.在光催化水分解制氫過程中，半導體材料的禁帶寬度主要影響（）。A.光吸收范圍B.載流子遷移率C.表面反應活性D.能帶位置2.鋰離子電池中，正極材料通常發(fā)生（）。A.氧化反應B.還原反應C.酸堿中和D.鈍化反應3.提高太陽能電池效率的關鍵途徑之一是（）。A.增大電池面積B.降低光吸收系數(shù)C.增強載流子復合D.提高材料的開路電壓4.熱電材料工作時，將熱能直接轉化為電能的物理基礎是（）。A.電阻效應B.熱傳導C.塞貝克效應D.焦耳效應5.用于電化學儲能的超級電容器，其儲能原理主要依賴于（）。A.酸堿中和B.雙電層電容C.鐵電相變D.氧化還原反應6.下列哪種材料通常被認為是一種高效的光催化劑？（）A.金屬鋁B.金剛石C.氧化石墨烯D.二氧化鈦7.在CO?還原反應中，使用貴金屬催化劑（如Ru、Rh）的主要優(yōu)勢是（）。A.選擇性好B.價格低廉C.穩(wěn)定性高D.活性低8.分子設計中，通過調控分子的（）可以改變其光學吸收特性？A.立體化學B.共軛結構C.原子組成D.分子量9.將生物質中的糖類轉化為乙醇，通常涉及（）。A.光催化氧化B.均相酸催化C.生物酶催化D.熱解反應10.對于環(huán)境能源利用技術，材料的（）是其性能的關鍵決定因素。A.成本B.穩(wěn)定性C.可加工性D.A和B和C都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）1.分子篩在環(huán)境能源領域可用于______和______等分離過程。2.提高太陽能電池的開路電壓，需要增大材料的______。3.鋰離子電池中，鋰離子在電極材料中的嵌入/脫嵌過程通常伴隨著______的變化。4.塞貝克系數(shù)是衡量熱電材料______的物理量。5.光催化反應通常需要光照提供______，并需要在材料表面發(fā)生______。6.設計高效電催化劑時，需要關注其______、______和穩(wěn)定性。7.生物質能的利用方式主要包括______、______和直接燃燒。8.將環(huán)境中的溫差能轉化為電能的技術稱為______。9.分子印跡技術可以用于制備具有特定______的傳感材料或催化劑。10.環(huán)境能源利用研究的重要目標是提高能源轉換效率并降低______。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述光生伏特效應的基本過程。2.比較鋰離子電池和鉛酸電池在儲能原理和材料方面的主要差異。3.簡述分子設計在開發(fā)新型環(huán)境能源材料中的重要作用。四、計算題（共10分）某太陽能電池的光電轉換效率為15%，其工作在標準測試條件下，輸入功率密度為1000W/m2。假設電池的填充因子為0.8。請計算該太陽能電池的短路電流密度（單位：A/cm2）和開路電壓（單位：V）。已知該電池的禁帶寬度為1.34eV。五、論述題（共15分）論述分子尺度工程（如納米結構設計、缺陷調控等）如何影響環(huán)境能源材料的性能，并舉例說明其在提高太陽能電池效率、電催化劑活性等方面的應用潛力。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.D4.C5.B6.D7.A8.B9.C10.D二、填空題1.氣體分離，液體分離2.禁帶寬度3.結構（或晶格）4.能量轉換效率5.能量（或光子能量），表面反應6.活性，選擇性7.生物燃料，生物質基化學品8.溫差發(fā)電（或熱電轉換）9.選擇性（或特定識別）10.成本三、簡答題1.解析思路：光生伏特效應始于半導體材料吸收光子，產生電子-空穴對。由于內建電場作用，電子和空穴被分離并分別向相反方向遷移，形成光電流。在器件結構中，遷移到不同電極的載流子被外部電路收集，形成電壓和電流輸出。2.解析思路：鋰離子電池基于鋰離子在正負極材料中的可逆嵌入/脫嵌，發(fā)生氧化還原反應實現(xiàn)充放電。鉛酸電池基于鉛及其氧化物在硫酸電解液中的可逆氧化還原反應。材料方面，鋰離子電池電壓高、能量密度大，正極材料多為過渡金屬氧化物，負極材料為鋰合金或石墨；鉛酸電池電壓低、技術成熟、成本低，正負極材料分別為二氧化鉛和鉛。3.解析思路：分子設計允許研究者從原子/分子層面出發(fā)，通過精確調控分子的結構、組成和功能單元，來定制材料的光、電、磁、催化等性能，以滿足特定環(huán)境能源應用的需求。例如，設計具有特定能帶結構的半導體光催化劑以提高光響應范圍和光生載流子分離效率；設計具有高表面積和特定活性位點的納米結構電催化劑以提升電化學活性。四、計算題解析思路：光電轉換效率η=(P_max/P_in)×FF，其中P_max是最大輸出功率，P_in是輸入功率密度，F(xiàn)F是填充因子。P_max=V_oc×I_sc。因此，η=(V_oc×I_sc/P_in)×FF。所以，I_sc=η×P_in/(V_oc×FF)。開路電壓V_oc近似等于短路電流密度J_sc乘以理想因子n（通常接近1）或直接考慮為電池的電壓輸出。在本題中，假設理想因子為1，則V_oc≈0.7V（常見硅電池值，題目未給，需根據(jù)禁帶寬度估算或假設）?；蛘呤褂霉溅?(q×μ_n×μ_p×N_c×N_v/4h)×(e×a2/L2)，其中參數(shù)較多，簡化計算需假設。更直接的方法是利用η=(J_sc×V_oc)/(2×P_in×FF)×FF，則V_oc=2×η×P_in/J_sc。此處采用P_max=V_oc×I_sc，η=P_max/P_in，代入得I_sc=η×P_in/V_oc。已知η=0.15,P_in=1000W/m2=0.1W/cm2,FF=0.8。假設V_oc≈0.7V(或根據(jù)公式估算V_oc≈n×E_g/q≈1.34eV/1.6eV≈0.84V)。若取V_oc=0.7V:I_sc=0.15×0.1/0.7=0.0214W/0.7V=0.0306A=30.6mA/cm2。若取V_oc=0.84V:I_sc=0.15×0.1/0.84=0.015W/0.84V=0.0179A=17.9mA/cm2。題目未給V_oc，此處選用一個常見值進行計算示范，結果以A/cm2為單位。假設計算結果為30.6mA/cm2。答案：短路電流密度J_sc≈30.6mA/cm2。開路電壓V_oc≈0.7V。五、論述題解析思路：分子尺度工程通過在納米尺度上精確控制材料的結構、尺寸、形貌、缺陷和表面化學等，可以顯著調控其電子結構、表面能、比表面積和催化活性位點等，從而影響環(huán)境能源材料的性能。例如，減小納米顆粒尺寸可以增大比表面積，暴露更多活性位點，提高催化活性（如析氫反應）；通過表面修飾或缺陷工程可以調節(jié)半導體光催化劑的能帶位置，優(yōu)化光生載流子的分離效率；設計具有特定空間結構的分子篩或多