2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究與應(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。下列每小題均有多個(gè)正確選項(xiàng)，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母代號(hào)填在題后的括號(hào)內(nèi)。多選、錯(cuò)選、漏選均不得分）1.下列哪些技術(shù)屬于高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的范疇？（）A.太陽能光熱轉(zhuǎn)換（）B.生物質(zhì)熱解制氣（）C.傳統(tǒng)火力發(fā)電（）D.燃料電池發(fā)電（）E.風(fēng)力機(jī)械發(fā)電2.提高能量轉(zhuǎn)換效率的主要途徑包括：（）A.降低不可逆損失（）B.優(yōu)化反應(yīng)路徑（）C.提高反應(yīng)物濃度（）D.使用高效的催化劑（）E.提升系統(tǒng)運(yùn)行溫度（在合適范圍內(nèi)）3.硅基太陽能電池的主要效率限制因素有：（）A.半導(dǎo)體材料的帶隙寬度（）B.光吸收不完全（）C.串聯(lián)電阻損失（）D.光致衰減（PL）損失（）E.復(fù)合缺陷導(dǎo)致的Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合損失4.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，以下哪些物質(zhì)或過程是關(guān)鍵環(huán)節(jié)？（）A.氫氣在陽極的氧化反應(yīng)（）B.氧氣在陰極的還原反應(yīng)（）C.質(zhì)子在質(zhì)子交換膜中的傳遞（）D.電子通過外部電路的流動(dòng)（）E.水在陰極的生成與排出5.鋰離子電池中，可能影響其循環(huán)壽命的因素包括：（）A.正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（）B.電解液的分解與副反應(yīng)（）C.SEI（固體電解質(zhì)界面）膜的形成與演化（）D.充放電過程中的體積膨脹與收縮（）E.溫度對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響二、填空題（每空2分，共20分）1.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可逆絕熱過程的效率極限是________效率，它僅取決于熱源和冷源的溫度。2.在光催化水分解制氫過程中，常用的半導(dǎo)體催化劑如TiO2，其帶隙寬度約為________eV，這決定了它能吸收太陽光譜中的________（波長范圍）。3.燃料電池的功率密度通常用________（單位）來衡量，它表示單位催化劑活性面積或單位電池體積所能產(chǎn)生的電功率。4.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池）的能量密度和功率密度之間通常存在________關(guān)系，即提高能量密度往往以犧牲功率密度為代價(jià)（或反之）。5.生物質(zhì)能的高效轉(zhuǎn)化技術(shù)之一是________，它可以將生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)行催化燃燒，提高能量利用率。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.卡諾效率(CarnotEfficiency)2.非晶硅(AmorphousSilicon)3.陽極(Anode)（在燃料電池和電解水體系中）4.質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane)（PEM）5.光生伏特效應(yīng)(PhotovoltaicEffect)四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述太陽能電池工作的基本原理。2.與傳統(tǒng)的氫氣制取方法相比，電解水制氫的優(yōu)勢主要有哪些？3.簡述提高燃料電池性能的主要技術(shù)途徑。4.什么是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的“倍率性能”？影響其倍率性能的主要因素有哪些？五、論述題（每小題10分，共30分）1.論述提高鈣鈦礦太陽能電池效率的主要挑戰(zhàn)及其可能的技術(shù)解決方案。2.以鋰離子電池為例，論述其正負(fù)極材料的發(fā)展趨勢對(duì)電池性能（能量密度、壽命、安全性等）的影響。3.結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景，論述高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)（如可再生能源發(fā)電、電化學(xué)儲(chǔ)能）在構(gòu)建可持續(xù)能源體系中的關(guān)鍵作用及面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.ABDE2.ABDE3.ABCDE4.ABCDE5.ABCDE二、填空題1.卡諾2.3.0,紫外-可見光3.W/cm2或W/cm2/g或W/m2/g4.犧牲或權(quán)衡5.氣體凈化與燃燒三、名詞解釋1.卡諾效率：指在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓粗g工作的所有可逆熱機(jī)中，以卡諾循環(huán)效率最高。它是理論上熱機(jī)可能達(dá)到的最大熱效率，僅取決于熱源溫度T_H和冷源溫度T_C，計(jì)算公式為η_Carnot=1-T_C/T_H(T_H,T_C為絕對(duì)溫度)。2.非晶硅：指硅原子排列無長程有序結(jié)構(gòu)的硅材料，其電學(xué)性質(zhì)與晶體硅有顯著差異，如較高的暗電流、光致衰減效應(yīng)等。在太陽能電池領(lǐng)域，非晶硅及其超晶格、微晶等形式被用于薄膜太陽能電池。3.陽極(在燃料電池和電解水體系中)：指發(fā)生氧化反應(yīng)的電極。在燃料電池中，陽極是燃料（如氫氣）發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子的地方；在電解水制氫過程中，陽極是水或氫氧根離子發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣并釋放電子的地方。4.質(zhì)子交換膜(PEM)：一種固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，具有選擇性地允許質(zhì)子（H?）通過而阻止陰離子和氣體通過的功能。它是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心部件，起著傳導(dǎo)質(zhì)子、分隔陰陽極氣體的作用。5.光生伏特效應(yīng)：指半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)，若其禁帶寬度大于光子能量，光子會(huì)被吸收，產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。在存在內(nèi)建電場（如P-N結(jié)）的情況下，這些光生載流子會(huì)被內(nèi)建電場分離，導(dǎo)致材料的一側(cè)帶負(fù)電，另一側(cè)帶正電，從而在材料兩端形成光生電壓的現(xiàn)象。這是太陽能電池工作的基礎(chǔ)物理原理。四、簡答題1.太陽能電池工作的基本原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體材料（如硅）上時(shí)，部分光子能量被吸收。如果光子能量足夠大，可以克服半導(dǎo)體的禁帶寬度，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)（光生載流子）。由于半導(dǎo)體材料內(nèi)部存在內(nèi)建電場（通常由P-N結(jié)產(chǎn)生），這些光生載流子會(huì)受到電場作用而被分離，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，從而在電池兩端形成電勢差。當(dāng)外部電路連接太陽能電池時(shí)，光生載流子通過外部電路形成光電流，實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的直接轉(zhuǎn)換。2.電解水制氫的優(yōu)勢主要在于：①綠色環(huán)保：其唯一的副產(chǎn)物是水，不產(chǎn)生溫室氣體或其他污染物，符合可持續(xù)發(fā)展和碳中和目標(biāo)；②氫氣純度高：電解得到的氫氣純度很高，可直接用于燃料電池或作為工業(yè)原料，無需復(fù)雜的提純過程；③氫源靈活：可以使用多種能源（可再生能源、化石能源、核能等）供電，能源來源廣泛；④技術(shù)成熟度：堿性電解水技術(shù)已相當(dāng)成熟，PEM電解水技術(shù)也在快速發(fā)展。3.提高燃料電池性能的主要技術(shù)途徑包括：①提高電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：開發(fā)更高效的催化劑（如使用貴金屬或非貴金屬催化劑，設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)催化劑等），降低電極反應(yīng)過電位；②降低電阻損失：優(yōu)化氣體擴(kuò)散層、流場設(shè)計(jì)，降低氣體傳輸阻力（歐姆電阻）；③減少濃差極化損失：優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，提高反應(yīng)物（如氫氣、氧氣）在電極內(nèi)的利用率；④提高系統(tǒng)熱管理效率：有效散熱或熱回收，保持電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)；⑤提高膜電極堆（MEA）的長期穩(wěn)定性和耐久性：開發(fā)更穩(wěn)定的功能層材料，抑制膜脫水、電極粉化、催化劑中毒等失效機(jī)制。4.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的“倍率性能”是指電池在非額定電流（大于額定電流）下進(jìn)行充放電時(shí)，其性能（如電壓平臺(tái)、容量、效率）的保持程度。影響其倍率性能的主要因素包括：①電極材料結(jié)構(gòu)：材料顆粒的大小、形貌、比表面積以及宏觀電極的孔隙率、厚度等都會(huì)影響離子的快速傳輸和電荷的快速轉(zhuǎn)移速率；②電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：電極表面積上的反應(yīng)速率常數(shù)是限制倍率性能的關(guān)鍵因素；③內(nèi)阻：電池的內(nèi)阻（包括歐姆內(nèi)阻和極化電阻）隨電流密度的增加而增大，顯著影響倍率性能；④電解液性質(zhì)：電解液的離子電導(dǎo)率、粘度以及與電極的浸潤性都會(huì)影響離子在電池內(nèi)的傳輸速率。五、論述題1.鈣鈦礦太陽能電池效率提升面臨的主要挑戰(zhàn)及其解決方案：①穩(wěn)定性差：鈣鈦礦材料對(duì)濕氣、氧氣、光照和熱不穩(wěn)定，易發(fā)生降解，導(dǎo)致效率快速衰減和器件壽命縮短。解決方案包括：開發(fā)穩(wěn)定的鈣鈦礦材料（如鹵素互替、引入有機(jī)基團(tuán)或金屬離子摻雜、制備鈣鈦礦/有機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)等）；優(yōu)化器件封裝工藝，提高密封性；表面處理技術(shù)（如鈍化層）抑制缺陷態(tài)。②鉛毒性：傳統(tǒng)鈣鈦礦材料含有鉛，存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。解決方案包括：開發(fā)鉛鹵化物鈣鈦礦的替代品（如錫、銦、銫等替代鉛的鈣鈦礦，或全無機(jī)鈣鈦礦）；對(duì)含鉛鈣鈦礦進(jìn)行表面鈍化或封裝，減少鉛的釋放。③缺陷鈍化：材料本身和器件制備過程中的缺陷（如晶格畸變、空位、雜質(zhì)）會(huì)捕獲載流子，降低量子效率。解決方案包括：優(yōu)化前驅(qū)體溶液配方和濃度；精確控制沉積工藝參數(shù)（溫度、時(shí)間、壓力等）；采用表面鈍化劑或界面修飾層來補(bǔ)償缺陷態(tài)。④大面積制備均勻性：在制備大面積器件時(shí)，難以保證材料質(zhì)量和器件性能的均勻性。解決方案包括：改進(jìn)溶液法制備工藝（如卷對(duì)卷印刷、旋涂優(yōu)化）；發(fā)展真空制備技術(shù)（如分子束外延、氣相沉積）；優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以容忍一定的非均勻性。⑤與襯底/其他層之間的界面問題：鈣鈦礦與上下電極、鈍化層等材料之間的界面性質(zhì)對(duì)器件性能至關(guān)重要，界面處的電荷復(fù)合、接觸電阻等問題需要解決。解決方案包括：選擇合適的電極材料（如TiO2作為電子傳輸層，spiro-OMeTAD或PTAA作為空穴傳輸層）；優(yōu)化界面層（如界面鈍化層）的設(shè)計(jì)和制備。通過在材料、器件結(jié)構(gòu)、制備工藝和封裝等層面持續(xù)創(chuàng)新，可以克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池走向?qū)嶋H應(yīng)用。2.以鋰離子電池為例，其正負(fù)極材料的發(fā)展趨勢對(duì)電池性能的影響：①正極材料：從早期的層狀氧化物（如LiCoO2,LiNiO2）向高能量密度材料（如高鎳（NCM/NCA）、富鋰（LR）材料、磷酸錳鐵鋰（LFP）等）以及高電壓材料（如聚陰離子材料LiTMSO2,Li2TiO3）發(fā)展。高鎳材料提高了比容量，增加了能量密度，但可能面臨熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命的挑戰(zhàn)；磷酸鐵鋰（LFP）材料安全性高、循環(huán)壽命長、成本較低，但能量密度相對(duì)較低；聚陰離子材料具有超高的理論容量和潛在的高能量密度，但面臨電壓衰減和導(dǎo)電性差的挑戰(zhàn)。這些正極材料的發(fā)展使得鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性和成本等關(guān)鍵性能得到顯著提升或在不同維度上取得優(yōu)化。②負(fù)極材料：從傳統(tǒng)的石墨負(fù)極向高能量密度材料發(fā)展，如硅基負(fù)極（Si/S）、合金負(fù)極（如Sn基合金）等。硅基負(fù)極具有極高的理論容量（約4200mAh/g），遠(yuǎn)高于石墨（372mAh/g），能夠大幅提升電池的能量密度。然而，硅在充放電過程中存在巨大的體積膨脹（可達(dá)300-400%），導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差，以及較低的首次庫侖效率。因此，當(dāng)前的研究重點(diǎn)在于解決硅基負(fù)極的體積膨脹和循環(huán)壽命問題，主要通過材料改性（如納米化、復(fù)合、涂層）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如納米線/納米管、多級(jí)結(jié)構(gòu)）和電解液優(yōu)化等途徑來實(shí)現(xiàn)。負(fù)極材料的發(fā)展是提升鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一。這些正負(fù)極材料的發(fā)展趨勢共同推動(dòng)了鋰離子電池在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域性能的持續(xù)突破。3.高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)（如可再生能源發(fā)電、電化學(xué)儲(chǔ)能）在構(gòu)建可持續(xù)能源體系中的關(guān)鍵作用及面臨的挑戰(zhàn)：關(guān)鍵作用：①提高能源利用效率：高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)（如光伏發(fā)電、燃料電池、高效儲(chǔ)能）能夠?qū)⒁淮文茉矗ㄌ貏e是可再生能源）更高效地轉(zhuǎn)化為可利用的二次能源（電能、氫能），減少能源轉(zhuǎn)換過程中的浪費(fèi)。②促進(jìn)可再生能源消納：可再生能源（如風(fēng)能、太陽能）具有間歇性和波動(dòng)性，高效儲(chǔ)能技術(shù)（如電池儲(chǔ)能、抽水蓄能）能夠平抑其波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模、穩(wěn)定應(yīng)用，提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力。③減少碳排放與環(huán)境污染：可再生能源發(fā)電本身零排放，結(jié)合高效電化學(xué)儲(chǔ)能或綠氫技術(shù)，可以替代化石燃料發(fā)電和工業(yè)過程，顯著減少溫室氣體和污染物排放，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。④保障能源安全與供應(yīng)：發(fā)展本土化的可再生能源和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，可以減少對(duì)進(jìn)口化石能源的依賴，增強(qiáng)國家能源安全。電化學(xué)儲(chǔ)能等技術(shù)的應(yīng)用可以提高能源系統(tǒng)的靈活性和韌性，提升供電可靠性。⑤推動(dòng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型：高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)以及綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐，推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)模式向綠色、低碳、智能、互動(dòng)的方向轉(zhuǎn)型。面臨的挑戰(zhàn)：①成本問題：雖然可再生能源和儲(chǔ)能成本已顯著下降，但部分高效技術(shù)（如鈣鈦礦太陽能電池、固態(tài)電池、綠氫）的成本仍較高，需要進(jìn)一步的技術(shù)突破和規(guī)模效應(yīng)來降低成本。②技術(shù)瓶頸：部分高效能源轉(zhuǎn)化技術(shù)（如鈣鈦礦穩(wěn)定性、鋰金屬電池安全性、