2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——光電催化水分解原理與機(jī)理考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的。請將正確選項(xiàng)的前字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.光電催化水分解中，直接利用太陽光進(jìn)行水分解的半導(dǎo)體材料，其主要吸收的光譜范圍通常與下列哪種材料的帶隙寬度有關(guān)？A.金剛石B.石墨C.GaAsD.SiC2.當(dāng)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底（Ec）和價(jià)帶頂（Ev）分別位于水分子氧化態(tài)（如O?）和還原態(tài)（如H?）的還原電位以下時(shí)，該半導(dǎo)體被認(rèn)為是：A.優(yōu)良的光陽極材料B.優(yōu)良的光陰極材料C.既適合作光陽極也適合作光陰極的材料D.不適合作光電催化劑的材料3.在光電催化過程中，光生載流子（電子-空穴對）的復(fù)合主要發(fā)生在：A.半導(dǎo)體內(nèi)部能帶之間B.半導(dǎo)體與電解質(zhì)界面C.半導(dǎo)體與基底界面D.助催化劑表面4.提高半導(dǎo)體光生載流子分離效率的有效途徑之一是：A.增加半導(dǎo)體的帶隙寬度B.降低半導(dǎo)體的本征缺陷濃度C.調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的能帶位置使其與電解質(zhì)勢匹配D.減小半導(dǎo)體的粒徑5.在光陽極水分解中，涉及到的關(guān)鍵氧化半反應(yīng)是：A.2H?O+4e?→H?+2OH?B.O?+4H?+4e?→2H?OC.2H?+2e?→H?D.2H?O?→O?+H?O+2H?+2e?6.在光陰極水分解中，涉及到的關(guān)鍵還原半反應(yīng)是：A.2H?O+4e?→H?+2OH?B.O?+4H?+4e?→2H?OC.2H?+2e?→H?D.2H?O?→O?+H?O+2H?+2e?7.“Volcano”關(guān)系描述的是哪種催化劑的性質(zhì)？A.光陽極對OER的催化活性B.光陰極對HER的催化活性C.光陽極對HER的催化活性D.光陰極對OER的催化活性8.為了抑制光生載流子在半導(dǎo)體/電解質(zhì)界面復(fù)合，常采用的策略包括：A.提高半導(dǎo)體的載流子遷移率B.增加半導(dǎo)體的表面態(tài)C.構(gòu)建內(nèi)建電場促進(jìn)電荷分離D.使用惰性氣體保護(hù)電解質(zhì)9.常見的用于增強(qiáng)光電催化活性的助催化劑材料是：A.TiO?B.PtC.CdSD.Si10.光電催化水分解效率通常用以下哪些指標(biāo)來評(píng)價(jià)？（多選，請將正確選項(xiàng)的前字母填在括號(hào)內(nèi)）A.量子效率（QE）B.法拉第效率（FE）C.載流子壽命D.過電位二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)由滿帶的價(jià)帶和空的導(dǎo)帶構(gòu)成，禁帶寬度（Eg）是指__________與__________之間的能量差。2.當(dāng)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)（Ef）位于其導(dǎo)帶底以下時(shí)，其表面通常傾向于吸附__________型物種；當(dāng)Ef位于其價(jià)帶頂以上時(shí)，則傾向于吸附__________型物種。3.光生電子傾向于從半導(dǎo)體的__________帶遷移到__________帶中，而空穴則留在__________帶中。4.在光電催化水分解體系中，為了實(shí)現(xiàn)整體水分解，光陽極材料必須具有足夠負(fù)的__________電位，而光陰極材料必須具有足夠正的__________電位。5.表面態(tài)是位于半導(dǎo)體能帶__________與__________之間，由danglingbonds引起的局部能級(jí)，它們可以顯著影響光生載流子的__________和__________。6.MoS?是一種常用于光電催化水分解的二維材料，其活性位點(diǎn)通常被認(rèn)為是__________層。7.為了提高半導(dǎo)體在可見光區(qū)的光吸收能力，可以采用__________摻雜、__________復(fù)合或構(gòu)建__________結(jié)構(gòu)等策略。8.量子效率（QE）定義為在給定光照條件下，產(chǎn)生的總電荷載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比，它專門衡量器件對__________的利用效率。9.OER反應(yīng)通常比HER反應(yīng)具有更高的__________，因此需要更強(qiáng)的光照或更正的電位才能驅(qū)動(dòng)。10.除了提高光吸收和電荷分離效率外，設(shè)計(jì)高效光電催化劑還需考慮材料的__________、__________和__________。三、簡答題（每小題5分，共15分。請簡要回答下列問題。）1.簡述能帶匹配原則在光電催化水分解中的應(yīng)用。2.解釋什么是表面態(tài)，并說明其對光電催化水分解過程的影響。3.簡述提高光電催化水分解系統(tǒng)穩(wěn)定性的常用方法。四、計(jì)算題（共15分。請寫出必要的公式和計(jì)算步驟。）假設(shè)一種理想的光陽極材料，在光照下產(chǎn)生了濃度為n?的光生電子。這些電子在遷移到半導(dǎo)體/電解質(zhì)界面并分離后，一部分用于驅(qū)動(dòng)OER反應(yīng)（轉(zhuǎn)移n_OER個(gè)電子），另一部分用于驅(qū)動(dòng)HER反應(yīng)（轉(zhuǎn)移n_HER個(gè)電子），且OER和HER的電子轉(zhuǎn)移速率相等。已知該半導(dǎo)體每吸收一個(gè)光子可以產(chǎn)生一個(gè)光生電子（量子效率QE=100%）。試計(jì)算：（1）用于OER和HER反應(yīng)的電子數(shù)占總產(chǎn)生電子數(shù)的比例各是多少？（2）如果該半導(dǎo)體的光吸收波長為λ=500nm，每個(gè)光子對應(yīng)的能量E_photon=hc/λ，其中h=6.626×10?3?Js，c=2.998×10?m/s。求每秒照射到單位面積上的光子通量（單位：光子/m2/s）是多少？（假設(shè)普朗克常數(shù)h和光速c的值不需要精確，僅作數(shù)量級(jí)估算即可）。五、論述題（共30分。請結(jié)合所學(xué)知識(shí)，圍繞以下主題進(jìn)行論述。）當(dāng)前，光電催化水分解技術(shù)雖然取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。請選擇其中一個(gè)挑戰(zhàn)（例如：光吸收范圍有限、光生載流子分離效率低、穩(wěn)定性差、缺乏高效廉價(jià)的催化劑等），深入分析其原因，并結(jié)合具體的材料設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，闡述如何克服這一挑戰(zhàn)，并展望該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.C5.B6.C7.A8.C9.B10.AB二、填空題1.導(dǎo)帶底Ec；價(jià)帶頂Ev2.還原；氧化3.導(dǎo)；價(jià)；價(jià)4.還原電勢；氧化電勢5.禁帶底；能帶頂；產(chǎn)生；分離6.邊緣7.化學(xué)元素；半導(dǎo)體；核殼8.光子9.過電位10.活性；穩(wěn)定性；成本三、簡答題1.能帶匹配原則要求半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底（Ec）應(yīng)低于電解質(zhì)中氧化態(tài)物質(zhì)（如O?）的還原電位，而其價(jià)帶頂（Ev）應(yīng)高于電解質(zhì)中還原態(tài)物質(zhì)（如H?）的氧化電位。這樣，光生電子可以轉(zhuǎn)移到氧化態(tài)物質(zhì)得到還原，光生空穴可以奪取還原態(tài)物質(zhì)電子使其氧化。通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)、摻雜、表面修飾等方式調(diào)控半導(dǎo)體的能帶位置，使其滿足能帶匹配條件，從而促進(jìn)電荷的有效轉(zhuǎn)移，提高光電催化效率。2.表面態(tài)是存在于半導(dǎo)體表面或界面處的局部能級(jí)，它們位于半導(dǎo)體的禁帶中間。表面態(tài)具有較長的局域特性，可以捕獲光生載流子或電解質(zhì)中的離子。它們一方面可以通過提供額外的復(fù)合通道加速光生載流子的復(fù)合，降低量子效率；另一方面，某些表面態(tài)可以作為反應(yīng)中間體的吸附位點(diǎn)或催化活性位點(diǎn)，影響表面反應(yīng)速率。因此，控制或修飾表面態(tài)是提高光電催化性能的重要途徑。3.提高光電催化水分解系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法主要包括：①材料層面，選擇化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕能力強(qiáng)的半導(dǎo)體材料；通過表面鈍化（如水熱處理、表面涂層）或缺陷工程抑制表面副反應(yīng)和活性位點(diǎn)失活；②結(jié)構(gòu)層面，構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)（如納米陣列、異質(zhì)結(jié)）或復(fù)合結(jié)構(gòu)（如半導(dǎo)體-助催化劑-介電層），以提高材料的機(jī)械穩(wěn)定性、應(yīng)力承受能力和電荷傳輸效率；③體系層面，優(yōu)化電解質(zhì)組成，選擇合適的介質(zhì)和添加劑以穩(wěn)定界面，抑制腐蝕和副反應(yīng)。四、計(jì)算題（1）設(shè)總產(chǎn)生電子數(shù)為n?，用于OER的電子數(shù)為n_OER，用于HER的電子數(shù)為n_HER。根據(jù)題意，n_HER=n_OER，且總電子數(shù)n?=n_OER+n_HER。因此，n_OER/n?=n_HER/n?=1/(1+1)=1/2。即用于OER和HER反應(yīng)的電子數(shù)各占總產(chǎn)生電子數(shù)的50%。（2）每個(gè)光子能量E_photon=hc/λ。h=6.626×10?3?Js,c=2.998×10?m/s,λ=500nm=500×10??m。E_photon=(6.626×10?3?Js)×(2.998×10?m/s)/(500×10??m)E_photon≈3.99×10?1?J/photon每秒單位面積上的光子通量Φ=n/t/A。假設(shè)單位時(shí)間t=1s，單位面積A=1m2。Φ=n/(1s*1m2)=n_photon/s/m2。由于QE=100%，即每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子，所以n_photon/s/m2=n_electron/s/m2。n_electron/s/m2=1/E_photon(若E_photon單位為J/photon)n_electron/s/m2≈1/(3.99×10?1?J/photon)n_electron/s/m2≈2.5×101?photons/s/m2數(shù)量級(jí)估算約為101?photons/s/m2。五、論述題（以下提供一個(gè)論述題的示例性回答框架，具體內(nèi)容需根據(jù)考生選擇的具體挑戰(zhàn)進(jìn)行填充和展開）選擇的挑戰(zhàn)：光生載流子分離效率低原因分析：光生載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部及半導(dǎo)體/電解質(zhì)界面復(fù)合是導(dǎo)致光電催化效率低下的關(guān)鍵因素。主要復(fù)合途徑包括：①體復(fù)合，電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇復(fù)合；②表面復(fù)合，電子和空穴在半導(dǎo)體表面或界面處相遇復(fù)合。體復(fù)合受半導(dǎo)體的本征缺陷濃度影響，缺陷越多，復(fù)合幾率越大。表面復(fù)合則受表面態(tài)密度、表面粗糙度、界面結(jié)構(gòu)等因素影響。當(dāng)載流子遷移到半導(dǎo)體/電解質(zhì)界面時(shí)，如果界面處的能帶彎曲不足以有效分離電子和空穴，或者界面存在大量有利于復(fù)合的表面態(tài)，或者載流子遷移速率慢，來不及到達(dá)界面就被復(fù)合，都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電荷復(fù)合，降低可用于驅(qū)動(dòng)水分解反應(yīng)的有效載流子數(shù)量，從而顯著降低器件的量子效率和整體光催化性能?？朔呗耘c展望：克服光生載流子低分離效率挑戰(zhàn)的主要策略集中在降低復(fù)合速率和提高電荷傳輸效率方面：1.能帶工程調(diào)控：通過元素?fù)诫s（如n型摻雜提高導(dǎo)帶位置，p型摻雜提高價(jià)帶位置）、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)（利用內(nèi)建電場驅(qū)動(dòng)電荷分離）、形成缺陷工程（如摻雜金屬離子或非金屬離子以調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和表面態(tài)）等方式，優(yōu)化半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，使其與電解質(zhì)勢更好地匹配，增大內(nèi)建電場，從而促進(jìn)光生電子-空穴對在界面處的分離。2.構(gòu)建高效界面結(jié)構(gòu)：通過表面改性（如水熱處理形成致密氧化物層、沉積鈍化層）、構(gòu)建超親水或超疏水表面、設(shè)計(jì)有序納米結(jié)構(gòu)（如納米陣列、納米管、核殼結(jié)構(gòu)）等，減小界面勢壘，縮短電荷傳輸距離，減少界面復(fù)合位點(diǎn)，引導(dǎo)電荷快速、定向地傳輸?shù)椒磻?yīng)活性位點(diǎn)。3.提高載流子遷移率：選擇具有高電子/空穴遷移率的半導(dǎo)體材料，或通過構(gòu)建納米尺度結(jié)構(gòu)（如量子點(diǎn)、納米線）增大電荷的有效漂移長度，提高載流子從產(chǎn)生地點(diǎn)傳輸?shù)椒磻?yīng)界面的能力。4.引入助催化劑：在半導(dǎo)體表面負(fù)載高活性的助催化劑（如Pt），不僅可以降低表面反應(yīng)的過