2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在新能源開發(fā)中的前景考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.下列哪一項不屬于目前主流的光伏電池技術所依賴的半導體材料？A)單晶硅B)鈣鈦礦C)石墨烯D)非晶硅2.在鋰離子電池中，正極材料發(fā)生還原反應，釋放電子。以下哪種正極材料理論比容量相對最高？A)磷酸鐵鋰(LiFePO4)B)三元材料(如LiNiCoMnAlO2)C)磷酸錳鋰(LiMn2O4)D)硅基負極材料3.氫燃料電池的核心反應是氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。該反應的催化劑，尤其是在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，通常使用的是：A)氧化銅B)鈦酸鋇C)鉑金屬或其合金D)氧化鋁4.對于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，以下哪種方法錯誤？A)增加電池的厚度B)使用寬禁帶半導體材料C)優(yōu)化能級匹配以減少能量損失D)采用鈣鈦礦/硅疊層結(jié)構5.“碳捕集與利用”（CCU）技術旨在減少大氣中的二氧化碳。以下哪種化學過程不屬于典型的CCU途徑？A)將捕獲的CO2轉(zhuǎn)化為純堿（碳酸鈉）B)利用CO2和H2合成甲醇C)將CO2直接注入深層地質(zhì)構造中進行封存D)將CO2催化分解為碳和氧氣6.電化學儲能系統(tǒng)（如電池）的循環(huán)壽命主要受限于哪個因素？A)電池的初始容量B)電池的電壓平臺C)負極材料在循環(huán)過程中的容量衰減和結(jié)構破壞D)電解液的離子電導率7.在水分解制氫的催化劑研究中，金屬有機框架（MOFs）材料因其獨特的結(jié)構而備受關注。它們在其中的主要作用通常是：A)電解質(zhì)B)電極集流體C)高效的吸附或催化位點D)超導體8.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的關鍵功能是：A)提供電子B)傳導質(zhì)子（H+）C)儲存燃料D)分離反應氣體9.應用化學家在開發(fā)新型儲能材料時，需要綜合考慮的因素不包括：A)材料的成本和可規(guī)?；a(chǎn)性B)材料的理論能量密度和實際能量密度C)材料的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命D)材料的顏色和美觀度10.下列哪種現(xiàn)象或技術直接利用了材料的半導體特性？A)利用活性炭的高吸附能捕集二氧化碳B)利用電解池將水分解為氫氣和氧氣C)利用量子點效應產(chǎn)生特定顏色的光D)利用金屬的霍爾效應測量磁場二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的核心物理過程是__________效應。2.鋰離子電池中，鋰離子在正負極材料之間的遷移通常通過__________機制實現(xiàn)。3.燃料電池的效率通常用輸出的__________與輸入的__________之比來衡量。4.氫燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）通常由含有磺酸基（-SO3H）的聚合物制成，其化學名稱常為__________。5.在電化學儲能體系中，電極材料表面發(fā)生的可逆氧化還原反應被稱為__________。6.催化劑在新能源轉(zhuǎn)化過程中，能夠改變反應的__________，通常不改變反應的__________。7.為了提高太陽能電池的光譜響應范圍，可以采用__________或__________等策略。8.“碳捕集、利用與封存”（CCUS）技術中的“S”代表__________。9.應用化學在氫能開發(fā)中的關鍵貢獻之一是設計高效的__________材料和__________材料。10.超級電容器相比傳統(tǒng)電池，通常具有更高的__________和更長的循環(huán)壽命。三、簡答題（每小題5分，共15分。）1.簡述染料敏化太陽能電池（DSSC）的基本工作原理。2.比較鋰離子電池和鉛酸電池在性能（如能量密度、循環(huán)壽命、成本）方面的主要差異。3.簡述應用化學家在開發(fā)新型燃料電池催化劑時需要考慮的關鍵因素。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.論述應用化學在提高鋰離子電池安全性方面的作用和挑戰(zhàn)。2.結(jié)合實例，論述應用化學如何推動碳捕集與利用（CCU）技術的發(fā)展前景。---試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.C*解析思路：單晶硅、鈣鈦礦和非晶硅都是目前光伏產(chǎn)業(yè)中廣泛使用的或具有代表性的半導體光敏材料。石墨烯是一種二維碳材料，雖然具有優(yōu)異的性能，但目前主要應用于電子學、復合材料等領域，并非主流光伏電池半導體材料。2.D*解析思路：硅（包括其各種形態(tài)如石墨烯雖非主流但理論上基于硅元素）具有極高的理論比容量（約4200mAh/g），遠高于其他常見的鋰離子電池正極材料如磷酸鐵鋰（約170mAh/g）、三元材料（約180-250mAh/g）和磷酸錳鋰（約250mAh/g）。雖然硅基負極材料在實際應用中面臨體積膨脹和循環(huán)穩(wěn)定性問題，但其理論容量最高。3.C*解析思路：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的核心反應發(fā)生在陽極，氫氣（H2）在催化劑作用下分解為質(zhì)子（H+）和電子（e-）。目前實現(xiàn)這一高效分解的最常用且性能最優(yōu)異的催化劑是貴金屬鉑（Pt）及其合金。4.A*解析思路：增加電池厚度通常會導致光線吸收減少和內(nèi)阻增大，從而可能降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。提高效率的方法通常包括使用窄禁帶半導體以吸收更寬光譜、優(yōu)化能級匹配以減少能量損失、采用疊層結(jié)構以拓寬光譜響應和增加電池電壓等。5.C*解析思路：碳捕集與利用（CCU）技術的目標是將對環(huán)境有害的二氧化碳進行捕集，然后轉(zhuǎn)化為有價值的化學品或燃料（利用），或者將其長期儲存以減少大氣排放（封存）。將CO2直接注入深層地質(zhì)構造進行封存（CCS的一部分）是為了將其從大氣中永久移除，不屬于利用其化學價值的途徑。6.C*解析思路：鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中，活性物質(zhì)（尤其是負極材料）的結(jié)構會發(fā)生不可逆變化，導致活性物質(zhì)損失、導電性下降，從而引起容量衰減。這是限制電池循環(huán)壽命的最主要因素。初始容量、電壓平臺和離子電導率是影響電池性能的重要參數(shù)，但不是循環(huán)壽命的主要限制因素。7.C*解析思路：金屬有機框架（MOFs）是由金屬離子或簇與有機配體自組裝形成的具有周期性孔道結(jié)構的晶體材料。其獨特的結(jié)構提供了巨大的比表面積和可調(diào)的孔道環(huán)境，使其非常適合作為吸附劑（如捕集CO2）或催化位點（如催化水分解、CO2轉(zhuǎn)化等）。8.B*解析思路：質(zhì)子交換膜（PEM）是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的關鍵部件，位于陽極和陰極之間。它的主要功能是允許質(zhì)子（H+）從陽極通過質(zhì)子傳導通道傳遞到陰極，同時阻止電子直接通過（即電子通過外部電路流動），并分隔反應氣體（氫氣和空氣）。9.D*解析思路：應用化學家在開發(fā)新型儲能材料時，必須考慮材料的性能（能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性）、成本、資源可獲得性、可規(guī)?；a(chǎn)性、環(huán)境影響等多個因素。材料的顏色和美觀度通常不是儲能材料研發(fā)的主要考慮因素。10.C*解析思路：半導體材料具有特定的能帶結(jié)構（導帶和價帶），存在能帶隙。當光子能量大于能帶隙時，光子可以被半導體吸收，激發(fā)電子躍遷到導帶，產(chǎn)生自由電子和空穴，這就是光電效應。A項活性炭利用吸附能，B項電解池利用電化學反應，D項霍爾效應利用金屬導電特性，均不直接利用半導體能帶特性。二、填空題（每空2分，共20分。）1.光電*解析思路：光伏電池的基本原理是利用半導體的光電效應，即光照半導體制成PN結(jié)時，光子能量激發(fā)載流子（電子-空穴對），這些載流子在電場作用下定向移動形成電流。2.離子*解析思路：鋰離子電池的工作原理基于鋰離子在電池充放電過程中，在電場驅(qū)動下，可逆地嵌入和脫出正負極材料晶格結(jié)構中。這個過程是鋰離子的物理遷移，而非電子直接穿過電解質(zhì)。3.電功率；燃料輸入的總能量*解析思路：燃料電池的效率衡量的是能量轉(zhuǎn)換的利用率。輸出的電功率是電池做功的能力，輸入的能量通常指所消耗燃料（如氫氣）的化學能，或者更精確地說是輸入的電能量（對于電堆輸入）。4.質(zhì)子交換膜*解析思路：目前最常見的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）使用的膜是全氟磺酸膜，其化學商品名最典型的是杜邦公司的Nafion?。5.法拉第電化學沉積/反應*解析思路：在電化學體系（如電池）中，電極表面發(fā)生的、伴隨著電荷轉(zhuǎn)移的可逆氧化還原過程，符合法拉第電解定律，稱為法拉第電化學過程或反應。這是電極反應的本質(zhì)。6.活化能；熱力學*解析思路：催化劑通過提供不同的反應路徑來降低反應的活化能，從而加快反應速率。催化劑不改變反應的平衡常數(shù)，即不改變反應的吉布斯自由能變，因此不改變反應的熱力學驅(qū)動力。7.紫外光響應層；能級匹配層*解析思路：為了吸收更寬波長范圍的光（尤其是紫外光和近紅外光），可以在電池中引入能吸收這些波段光的材料層，如紫外光響應的寬禁帶半導體（如ZnO）或量子點。為了減少電荷復合損失，常在光吸收層和活性層之間加入能級匹配層。8.封存(Storage)*解析思路：碳捕集、利用與封存（CCUS）中的“C”是Capture，“U”是Utilization，“S”是Storage。Storage指將捕集到的二氧化碳長期注入地下深層地質(zhì)構造中進行封存，以實現(xiàn)溫室氣體的減排。9.儲氫；電解水制氫*解析思路：氫能的開發(fā)鏈涉及多個環(huán)節(jié)。應用化學在儲氫材料（能夠高效、安全、低成本地儲存和釋放氫氣的材料）和電解水制氫催化劑（能夠高效、低成本地將水分解為氫氣和氧氣的催化劑材料）的設計與開發(fā)中扮演著核心角色。10.倍率性能(或快充性能)*解析思路：超級電容器（特別是雙電層電容器）能夠以極高的速率進行充放電（即高倍率放電/充電），這是其區(qū)別于傳統(tǒng)電池的重要性能優(yōu)勢之一。能量密度相對較低，但循環(huán)壽命長。三、簡答題（每小題5分，共15分。）1.簡述染料敏化太陽能電池（DSSC）的基本工作原理。*解析思路：DSSC由透明導電基底、覆蓋有納米級多孔半導體薄膜（如TiO2）、敏化劑（通常是光敏染料，如羅丹明B）、電解質(zhì)（通常是碘/三碘化物離子液體）和對電極組成。其工作原理是：①光照射染料分子，使其從基態(tài)吸收光能躍遷到激發(fā)態(tài)；②激發(fā)態(tài)染料通過電子轉(zhuǎn)移將電子注入到半導體納米晶的導帶，染料分子變?yōu)檠趸瘧B(tài)；③半導體導帶中的電子通過外電路流向?qū)﹄姌O，產(chǎn)生電流；④電解質(zhì)中的氧化態(tài)離子（如I3-）遷移到染料處，被還原，使染料恢復到基態(tài)；⑤氧化態(tài)離子再通過擴散回到半導體/電解質(zhì)界面，被還原態(tài)的離子（如I-）補充，形成閉合回路。多孔半導體用于增加光捕獲和電荷收集面積，電解質(zhì)提供離子傳導以完成電荷閉合。2.比較鋰離子電池和鉛酸電池在性能（如能量密度、循環(huán)壽命、成本）方面的主要差異。*解析思路：鋰離子電池和鉛酸電池是兩種常見的化學電池。*能量密度：鋰離子電池的能量密度顯著高于鉛酸電池（鋰離子通常為100-265Wh/kg，鉛酸為25-40Wh/kg）。*循環(huán)壽命：鋰離子電池的循環(huán)壽命通常遠長于鉛酸電池（鋰離子幾百到數(shù)千次，鉛酸幾十到幾百次）。*成本：鉛酸電池的初始購置成本通常遠低于鋰離子電池。但考慮到鋰離子電池更長的壽命和更高的能量效率（可減少充電次數(shù)和能源消耗），其全生命周期成本可能更具競爭力。*工作電壓：鋰離子電池標稱電壓通常為3.6-3.7V，鉛酸電池為2V（串聯(lián)后可達6V、12V、24V等）。*環(huán)境影響：鉛酸電池含有重金屬鉛，處理不當會造成污染；鋰離子電池相對環(huán)保，但含有鋰、鈷等資源，回收處理也需關注。*充電時間：鋰離子電池充電速度通常比鉛酸電池快。3.簡述應用化學家在開發(fā)新型燃料電池催化劑時需要考慮的關鍵因素。*解析思路：應用化學家在開發(fā)燃料電池（特別是PEMFC和SOFC）催化劑時，需關注以下關鍵因素：①活性：催化劑需要具有足夠高的本征活性，即能在較低的溫度下、較低的貴金屬負載量下，高效地催化關鍵的氧化還原反應（如PEMFC中的H2氧化和O2還原）。②選擇性與穩(wěn)定性：催化劑應選擇性地催化目標反應，抑制副反應；同時需要具有良好的化學穩(wěn)定性（抗中毒、抗燒結(jié)）、熱穩(wěn)定性和結(jié)構穩(wěn)定性（在長期運行和高電流密度下保持性能）。③成本：催化劑的成本（尤其是貴金屬的成本）對燃料電池的商業(yè)化至關重要，因此開發(fā)高效的非貴金屬催化劑或降低貴金屬載量是重要方向。④兼容性：催化劑材料需要與電解質(zhì)、電極基體等其他電池部件具有良好的化學相容性和物理匹配性。⑤制備工藝：催化劑的制備方法應易于控制、可重復、成本效益高，并能保證催化劑的微觀結(jié)構和形貌（如粒徑、分散度、比表面積）優(yōu)化其性能。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.論述應用化學在提高鋰離子電池安全性方面的作用和挑戰(zhàn)。*解析思路：鋰離子電池的安全性是其在便攜式電子設備和電動汽車等領域廣泛應用的關鍵瓶頸之一。應用化學在提升其安全性方面發(fā)揮著核心作用，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。*作用：①材料設計：開發(fā)更穩(wěn)定、不易過充、不易析鋰的正負極材料（如使用硅基負極、高電壓正極、固態(tài)電解質(zhì)），從源頭上提高電池的本征安全性。②電解液改性：通過添加阻燃劑（如磷腈烷）、成膜劑、功能小分子等，改善電解液的熱穩(wěn)定性和離子電導率，抑制燃燒。③隔膜改進：開發(fā)具有更高安全性（如耐熱、耐刺穿、良好的離子選擇性）的隔膜材料，防止內(nèi)部短路。④界面化學調(diào)控：研究并調(diào)控電極/電解質(zhì)界面，抑制不穩(wěn)定的SEI膜的形成，防止鋰枝晶生長和內(nèi)部短路。*挑戰(zhàn)：①性能與安全性的權衡：提高安全性往往意味著要犧牲一定的能量密度、循環(huán)壽命或成本。如何在保證安全的前提下，維持或提升電池的能量密度和性能是一個核心挑戰(zhàn)。②復雜性與不確定性：電池失效是一個涉及材料、結(jié)構、界面、溫度、充放電狀態(tài)等多因素耦合的復雜過程，機理研究仍需深入，難以完全預測和避免所有意外情況。③成本問題：許多提高安全性的新材料或新工藝可能成本較高，影響商業(yè)化應用。④標準與測試：需要建立更全面、更可靠的電池安全測試標準和評估方法。2.結(jié)合實例，論述應用化學如何推動碳捕集與利用（CCU）技術的發(fā)展前景。*解析思路：