2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——電解水制氫反應機理研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.電解水制氫反應的總化學方程式為2H?O→2H?+O?。該反應在電化學中屬于（）。A.陽極氧化反應B.陰極還原反應C.陽極還原反應D.陰極氧化反應2.在電解水過程中，發(fā)生析氫反應（HER）的電極是（）。A.陽極B.陰極C.膜層D.電解液3.根據(jù)Volmer-Heyrovsky-Tafel機理，析氫反應的第一個步驟通常是（）。A.H?+e?+*H→*HB.*H+*H→H?+*C.*H+H?O→*OH+H?+e?D.*OH+H?+e?→*H4.下列哪種物質(zhì)通常被認為是析氧反應（OER）過程中的關(guān)鍵中間吸附物種？（）A.*HB.*OHC.*OD.*OOH5.法拉第定律描述了（）。A.電解液的酸堿性B.電極材料的穩(wěn)定性C.通過電極的電荷量與產(chǎn)生或消耗的物質(zhì)的量之間的關(guān)系D.電極表面的反應速率6.過電勢是指電解池的實際分解電壓與理論分解電壓之（）。A.差B.和C.積D.商7.在質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽中，用于傳導質(zhì)子（H?）的關(guān)鍵組分是（）。A.陽極室的水B.陰極室的水C.膜材料本身D.電解液8.通常用于堿性電解槽陽極的惰性材料是（）。A.鉑（Pt）B.碳（C）C.釕（Ru）D.鎳（Ni）9.電催化劑的本征活性主要由其（）決定。A.表面粗糙度B.電極與電解液的接觸面積C.內(nèi)部結(jié)構(gòu)D.成分和電子結(jié)構(gòu)10.穩(wěn)定性是指電催化劑在長期運行下保持其（）的能力。A.活性B.選擇性C.A和BD.以上都不是二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題后的橫線上）1.電解水制氫過程中，發(fā)生在______電極的是析氫反應（HER），發(fā)生在______電極的是析氧反應（OER）。2.影響析氫反應（HER）動力學的主要因素包括過電勢、______、電解液性質(zhì)和電極材料。3.對于OER，理論過電勢與反應步驟數(shù)有關(guān)，四電子OER的理論過電勢通常______二電子OER的理論過電勢。4.在電催化劑研究中，吸附物演化路徑（如*H→*OH→*O→*OOH）常用于分析______反應的機理。5.提高電催化劑活性的一種常見策略是利用______效應，通過改變催化劑的電子結(jié)構(gòu)來增強吸附能。6.膜電極組件（MEA）是______和______電解槽的核心部件，其性能直接影響電解槽的效率和經(jīng)濟性。7.氧氣析出反應（OER）通常比析氫反應（HER）具有更高的______。8.非貴金屬基催化劑（如Ni,Co,Fe基材料）因其______而受到廣泛關(guān)注。9.電極的______是指電極表面吸附物種的覆蓋程度。10.密度泛函理論（DFT）是研究電催化反應機理的一種重要理論工具，它可以幫助計算______和______。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述Volmer-Heyrovsky-Tafel機理中析氫反應的三個主要步驟。2.簡述影響析氧反應（OER）過電勢的主要因素。3.簡要解釋什么是電催化劑的“本征活性”和“非本征活性”。4.簡述提高電解水制氫效率的主要途徑。四、論述題（每題7分，共21分）1.論述納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、納米管）對電催化劑析氫反應（HER）性能的影響，并結(jié)合可能的機理進行解釋。2.對比分析質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽和堿性（AEM）電解槽在電解水制氫方面的優(yōu)缺點，并簡要說明其各自適用的場景。3.結(jié)合當前研究熱點，論述設(shè)計高效、穩(wěn)定析氧反應（OER）催化劑所面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。五、分析題（8分）某研究團隊報道了一種新型鈷基合金催化劑，其在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應性能。請分析可能導致該催化劑具有高活性的原因，并從材料設(shè)計角度提出至少兩種進一步提高其析氫性能或穩(wěn)定性的思路，并簡述理由。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.D5.C6.A7.C8.B9.D10.C二、填空題1.陰極；陽極2.電極材料3.低4.析氧反應（OER）5.合金6.PEM；AEM7.過電勢8.成本低（或資源豐富）9.吸附系數(shù)（或覆蓋度）10.吸附能；反應能壘三、簡答題1.解析思路：提問要求簡述HER的Volmer-Heyrovsky-Tafel機理步驟。需要回憶并按邏輯順序列出三個核心步驟：首先是質(zhì)子在電極表面獲得電子形成吸附的氫原子（Volmer步驟）；然后是兩個吸附的氫原子結(jié)合生成氫氣并釋放到電極表面（Heyrovsky步驟）；最后是吸附的氫原子或氫分子失去電子生成氫氣并解吸（Tafel步驟，通常視為Volmer或Heyrovsky步驟的后續(xù)或另一分支）。*答案要點：Volmer步驟（H?+e?+*→*H）；Heyrovsky步驟（*H+H?O→*OH+H?+e?，或*H+*H→H?+*）；Tafel步驟（*H+H?O→*OH+H?+e?，或*H→H?+*）。（選擇其中一種常見表述即可）2.解析思路：提問要求簡述影響OER過電勢的因素。OER過電勢受多種因素影響，核心在于電極反應的復雜性。主要因素包括：電極材料的本征活性（不同材料催化OER的難易程度不同）；電解液pH值（影響OH?濃度和反應步驟）；電流密度（越高的電流密度通常需要越高的過電勢）；溫度（通常升高溫度能降低過電勢）；傳質(zhì)過程（如果反應物或產(chǎn)物擴散受限，會導致過電勢升高）；以及催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)等表面因素。*答案要點：電極材料種類；電解液pH值；電流密度；溫度；傳質(zhì)過程；催化劑表面結(jié)構(gòu)。3.解析思路：提問要求解釋本征活性和非本征活性。這是催化劑性能評價中的核心概念。本征活性指在理想條件下（如單晶表面、充分暴露的活性位點）催化劑自身的催化能力，主要決定于催化劑的電子結(jié)構(gòu)、組成等內(nèi)在因素。非本征活性則是指除了本征活性外，實際電極表面形貌、粗糙度、與其他組分的界面、缺陷、吸附物種覆蓋等外在因素對催化性能的附加影響。*答案要點：本征活性：指催化劑材料本身固有的催化活性，不受表面形貌、粗糙度等外在因素影響。非本征活性：指由實際電極表面的形貌、粗糙度、缺陷、吸附物種覆蓋等因素引起的，超出材料本征活性的額外催化活性或活性調(diào)節(jié)。4.解析思路：提問要求論述提高電解水效率的途徑。電解水效率（能量效率）定義為產(chǎn)生氫氣的電能與輸入電能之比。提高效率的關(guān)鍵在于降低電解過程中的能量損失，即降低析氫和析氧反應的過電勢。主要途徑有：開發(fā)高活性、低過電勢的電催化劑；優(yōu)化電解槽的結(jié)構(gòu)和設(shè)計（如改善氣體擴散層、增加三相界面面積）；使用合適的電解液和膜材料；優(yōu)化操作條件（如溫度、壓力、電流密度）；以及采用高效電源等。*答案要點：開發(fā)高活性、低過電勢的HER和OER催化劑；優(yōu)化電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計（如增加三相界面）；使用合適的電解液和膜材料；優(yōu)化操作條件（溫度、壓力、電流密度）；采用高效電源。四、論述題1.解析思路：提問要求論述納米結(jié)構(gòu)對HER的影響并解釋機理。納米結(jié)構(gòu)（小尺寸效應、高比表面積效應）通常能顯著提高HER性能。小尺寸納米顆?？梢员┞陡嗟牡椭笖?shù)晶面，這些晶面可能具有更優(yōu)的原子排列和吸附位點，有利于降低反應能壘。高比表面積提供了更多的活性位點，使得在相同電流密度下所需的電極表觀濃度更低，有利于降低過電勢。從機理上講，納米結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)控活性位點的類型和數(shù)量、改變吸附物的吸附能、以及增強電荷轉(zhuǎn)移速率等方式來加速HER。例如，納米結(jié)構(gòu)可能提供更強的*H吸附，或者暴露有利于Tafel路徑的位點。*答案要點：小尺寸效應：暴露更多低指數(shù)晶面，提供更有利的活性位點；高比表面積效應：增加活性位點數(shù)量，降低本征過電勢。機理解釋：調(diào)控活性位點類型和數(shù)量；改變吸附物吸附能（可能增強*H吸附或提供更低能壘的路徑）；增強電荷轉(zhuǎn)移速率。2.解析思路：提問要求對比PEM和AEM電解槽的優(yōu)缺點及適用場景。需要分別列出兩種電解槽的主要優(yōu)缺點，并分析其適用情況。PEM優(yōu)點：工作溫度低（<100°C），啟動快，功率密度高，電解液水系，H?純度高。缺點：膜成本高（通常是Nafion），對CO?敏感，膜易腐蝕。AEM優(yōu)點：膜成本較低（如質(zhì)子交換膜或陰離子交換膜），對CO?不敏感，可以使用堿性水溶液（成本更低），陰極可以使用成本更低的鎳基催化劑。缺點：工作溫度相對較高（>60-80°C），功率密度通常低于PEM，H?純度可能受陰極雜質(zhì)影響。適用場景：PEM適用于需要高功率密度、快速響應和氫氣純度要求高的場景，如燃料電池汽車。AEM適用于對成本敏感、規(guī)?；潭ㄊ街茪浠?qū)O?存在顧慮的場景。*答案要點：PEM：優(yōu)點-低溫、快啟動、高功率密度、純H?；缺點-膜貴、CO?敏感、膜易腐蝕。AEM：優(yōu)點-膜便宜、抗CO?、可用廉價堿水、陰極材料便宜；缺點-溫度較高、功率密度較低、H?純度可能受影響。適用場景：PEM-高功率、快響應、高純度；AEM-低成本、大規(guī)模、抗CO?。3.解析思路：提問要求結(jié)合熱點，論述OER催化劑設(shè)計挑戰(zhàn)與方案。首先指出OER的挑戰(zhàn)：其動力學非常緩慢（涉及四個電子轉(zhuǎn)移），理論過電勢高，催化劑本征活性低（尤其是貴金屬），長期運行穩(wěn)定性差（易氧化、腐蝕、結(jié)構(gòu)變化）。然后針對這些挑戰(zhàn)提出解決方案，結(jié)合當前研究熱點。例如，針對低活性，可以通過合金化、表面修飾、缺陷工程、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)等策略來調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，增強對關(guān)鍵中間吸附物種（*O,*OOH）的吸附，降低反應能壘。針對穩(wěn)定性問題，可以設(shè)計具有抗腐蝕性金屬氧化物、硫化物，或利用碳基載體進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，構(gòu)建耐蝕的合金或核殼結(jié)構(gòu)。還可以利用DFT計算等理論工具指導材料設(shè)計和機理理解。*答案要點：挑戰(zhàn)：動力學慢（四電子）、高理論過電勢、低本征活性（貴金屬依賴）、穩(wěn)定性差。解決方案：活性提升-合金化、表面修飾、缺陷工程、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、DFT指導；穩(wěn)定性提升-抗腐蝕材料設(shè)計（氧化物、硫化物）、載體穩(wěn)定化、耐蝕合金/核殼結(jié)構(gòu)。五、分析題解析思路：提問要求分析新型鈷基合金催化劑高性能的原因，并提出改進思路。分析原因時，需要從鈷基合金催化劑通常具有的優(yōu)勢出發(fā)，結(jié)合HER機理進行解釋。鈷基合金（如Ni-Co,Fe-Co等）通常成本較低，且Co和Ni/Fe等元素具有較好的HER本征活性。合金化可以通過固溶強化、晶格畸變、電子配體效應等改變鈷的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其對*H吸附能，使其更接近熱力學平衡值，降低過電勢。例如，Ni-Co合金中Ni的引入可能提供更優(yōu)的*H吸附位點或更合適的吸附能。此外，合金化可能促進活性位點的暴露，或提高材料在電解液中的穩(wěn)定性。提出改進思路時，可以從兩個方面入手：一是進一步提高活性，二是提高穩(wěn)定性。提高活性可以考慮進一步優(yōu)化合金組成（如調(diào)節(jié)Ni/Co比例）、引入其他元素進行協(xié)同效應、或調(diào)控納米結(jié)構(gòu)（如納米合金、納米孿晶）。提高穩(wěn)定性可以考慮構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)以保護活性相、引入缺