2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——能源催化劑在能源轉(zhuǎn)化中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種物質(zhì)通常不被視為能源催化劑？（）A.媒介物B.催化活性位點C.載體D.催化反應產(chǎn)物2.在電催化水分解反應中，用于降低析氫過電位的金屬催化劑不包括？（）A.鉑B.釕C.銀D.鉻3.下列哪種方法不屬于常用的能源催化劑合成方法？（）A.水熱法B.溶膠-凝膠法C.原位生長法D.熔融法4.對于燃料電池陽極氧還原反應（ORR），哪種催化劑材料因其高活性、高選擇性和低成本而備受關注？（）A.鉑碳B.釕氧化物C.鈷基金屬有機框架D.鈦酸鋰5.下列哪個概念最準確地描述了催化劑在化學反應中的作用？（）A.改變反應的平衡常數(shù)B.降低反應的活化能C.增加反應的熵變D.生成更多的產(chǎn)物6.在CO2電還原反應中，使用催化劑將CO2轉(zhuǎn)化為哪種物質(zhì)被認為是一種潛在的碳中和技術？（）A.COB.CH4C.CO2H2D.C6H12O67.下列哪種表征技術最常用于確定催化劑的晶體結(jié)構和物相組成？（）A.X射線光電子能譜（XPS）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.X射線衍射（XRD）D.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）8.催化劑的“本征活性”通常指的是什么？（）A.催化劑在特定反應條件下的實際活性B.催化劑在沒有載體和其他雜質(zhì)存在時的理論活性C.催化劑對反應的選擇性D.催化劑的穩(wěn)定性9.下列哪種因素通常會影響催化劑的穩(wěn)定性？（）A.溫度B.壓力C.催化劑的本征活性D.以上所有10.將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的典型過程不包括？（）A.光催化水分解B.光伏電池C.光熱轉(zhuǎn)換D.燃料電池二、填空題（每空1分，共15分）1.能源催化劑的核心作用在于降低反應的________能壘，從而提高反應速率。2.催化劑的活性通常用________或________來衡量。3.在設計用于CO2還原反應的催化劑時，通常需要考慮選擇性和________兩個關鍵因素。4.載體在能源催化劑中主要起到________、支撐活性組分和改善催化劑性能的作用。5.基于金屬的能源催化劑通常通過________或________的方式制備。6.電催化反應通常發(fā)生在________上，并涉及電子的轉(zhuǎn)移。7.光催化材料需要具備合適的________和________來吸收光能并驅(qū)動催化反應。8.催化劑的________是指其在長時間反應條件下保持其活性和選擇性的能力。9.活性位點通常是催化劑中具有特殊電子結(jié)構和幾何構型的________或________。10.基于金屬有機框架（MOFs）的能源催化劑因其________和________而具有獨特的優(yōu)勢。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.本征活性2.選擇性3.載體4.光催化四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述能源催化劑在燃料電池中的作用。2.簡述水熱法在能源催化劑合成中的應用及其優(yōu)點。3.簡述影響電催化劑本征活性的主要因素。4.簡述CO2電還原反應的可能產(chǎn)物及其影響因素。五、綜合應用題（每題10分，共20分）1.設計一個用于光催化水分解制氫的催化劑體系，說明選擇該體系的原因，并簡述其可能的反應機理。2.針對燃料電池中鉑催化劑成本高、易中毒的問題，提出至少兩種可能的解決方案，并簡述其原理。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.C5.B6.B7.C8.B9.D10.B二、填空題1.活化2.反應速率，轉(zhuǎn)化率3.抗毒性4.分散活性組分5.化學沉淀，溶膠-凝膠6.電極7.能帶隙，光響應性8.穩(wěn)定性9.原子，原子團10.可調(diào)孔道結(jié)構，易功能化三、名詞解釋1.本征活性：指催化劑在特定反應條件下的實際活性，通常是在排除了載體和其他雜質(zhì)影響的情況下測得的活性。2.選擇性：指催化劑在催化反應中生成目標產(chǎn)物的傾向，可以用主產(chǎn)物選擇性、區(qū)域選擇性和化學選擇性等來描述。3.載體：在多相催化中，載體是用于負載催化活性組分的物質(zhì)，它通常具有高表面積、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，并能為活性組分提供合適的分散狀態(tài)和酸性/堿性位點。4.光催化：指利用半導體材料在光照下產(chǎn)生的光生電子和空穴來驅(qū)動化學反應的過程，這些反應可以是氧化還原反應、降解有機污染物、分解水制氫等。四、簡答題1.能源催化劑在燃料電池中主要作為電極催化劑使用。在陽極，催化劑促進燃料（如氫氣）的氧化反應，釋放電子和質(zhì)子；在陰極，催化劑促進氧氣或氧化劑的還原反應，接受電子和質(zhì)子。高效的能源催化劑可以降低電極反應的過電位，提高燃料電池的功率密度、能量密度和耐久性。2.水熱法是在高溫高壓的水溶液或水蒸氣環(huán)境中進行化學反應和材料合成的方法。在水熱條件下，物質(zhì)具有較高的活性和反應速率，有利于形成具有特定晶相、形貌和尺寸的納米材料。水熱法的優(yōu)點包括：可以在相對溫和的條件下合成復雜的催化劑結(jié)構，提高產(chǎn)物的純度和結(jié)晶度，易于控制產(chǎn)物的尺寸和形貌，以及可以用于合成一些在常規(guī)條件下難以合成的材料。3.影響電催化劑本征活性的主要因素包括：活性位點的電子結(jié)構，活性位點與反應物的相互作用能，催化劑的吸附能，以及催化劑的表面吉布斯自由能。此外，催化劑的晶面、缺陷和應力等結(jié)構因素也會影響其本征活性。4.CO2電還原反應的可能產(chǎn)物包括：一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）和乙烯（C2H4）等。產(chǎn)物種類主要取決于反應的電位、催化劑的類型和反應條件（如pH值、溫度和溶劑）。高電位下傾向于生成還原產(chǎn)物（如CO），而低電位下傾向于生成氧化產(chǎn)物（如甲烷或甲醇）。五、綜合應用題1.設計一個用于光催化水分解制氫的催化劑體系：例如，可以選擇具有合適能帶隙（約2.0-3.0eV）的半導體材料，如鈦酸鋇（BaTiO3）或改性氧化鋅（ZnO），作為光催化劑。為了提高其光催化活性，可以采用貴金屬沉積（如Au或Pt）進行表面修飾，以增強光吸收和表面等離子體共振效應，或者構建異質(zhì)結(jié)結(jié)構（如與石墨相氮化碳（g-C3N4）復合），以促進電荷分離和轉(zhuǎn)移。選擇該體系的原因是這些材料具有合適的能帶結(jié)構、良好的穩(wěn)定性、易于制備且成本較低。可能的反應機理：光子被半導體材料吸收后，產(chǎn)生光生電子（e-）和空穴（h+）。這些光生載流子容易在半導體的導帶和價帶中遷移。如果催化劑表面有合適的活性位點，光生電子可以還原吸附在表面的水分子生成氫氣，光生空穴可以氧化水分子生成氧氣。通過貴金屬沉積或異質(zhì)結(jié)結(jié)構，可以有效地分離和轉(zhuǎn)移光生電子和空穴，減少它們的復合，從而提高光催化水分解制氫的效率。2.針對燃料電池中鉑催化劑成本高、易中毒的問題，可以提出以下兩種解決方案：*開發(fā)非貴金屬或低貴金屬含量的高效催化劑：例如，可以通過理論計算和結(jié)構設計，發(fā)現(xiàn)具有與鉑相似或更優(yōu)催化活性的非貴金屬（如Ni,Co,Fe,Mn等）或鉑基合金（如Pt-Co,Pt-Ni）催化劑。這些催化劑可以通過調(diào)節(jié)組分和結(jié)構來提高其本征活性和抗中毒能力。其原理是利用過渡金屬的d帶電子與吸附物種的相互作用，以及合金效應來增強催化活性位點與反應物的相互作用，從而降低反應過電位。*改進催化劑的形貌和結(jié)構設計：例如，可以制備具有高表面積、高本征活性和優(yōu)良傳質(zhì)性能