2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——金屬有機(jī)骨架在能源化學(xué)中的應(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。請將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料的組成要素？(A)金屬離子或簇(B)有機(jī)配體分子(C)共價(jià)鍵交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(D)無機(jī)納米顆粒2.在衡量MOFs作為儲氫材料性能時(shí)，以下哪個(gè)參數(shù)通常被認(rèn)為是關(guān)鍵指標(biāo)？(A)有機(jī)連接體的柔性(B)MOFs的密度(C)MOFs的比表面積和孔徑分布(D)MOFs的合成溫度3.下列哪種合成方法通常適用于制備具有高孔隙率和良好熱穩(wěn)定性的MOFs？(A)溶劑熱法(B)浸漬法(C)水熱法(D)沉淀法4.MOFs材料在氣體分離方面的優(yōu)勢主要來源于其獨(dú)特的什么特性？(A)金屬節(jié)點(diǎn)的可調(diào)變價(jià)性(B)有機(jī)連接體的多樣性(C)極大的比表面積和可調(diào)孔道環(huán)境(D)對特定氣體的催化反應(yīng)活性5.在MOFs基催化劑用于電解水制氫過程中，以下哪種角色是至關(guān)重要的？(A)MOFs作為高效的分離膜(B)MOFs提供豐富的活性位點(diǎn)并增強(qiáng)電解液滲透性(C)金屬節(jié)點(diǎn)直接參與電化學(xué)反應(yīng)(D)有機(jī)連接體負(fù)責(zé)電子的快速傳輸6.對于MOFs材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，以下哪種說法是正確的？(A)MOFs的高比表面積有利于鋰離子快速嵌入/脫出(B)MOFs的有機(jī)連接體必須是導(dǎo)電性極好的芳香環(huán)(C)MOFs在充放電循環(huán)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是次要考慮因素(D)MOFs通常作為電池的電解質(zhì)7.金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料相較于傳統(tǒng)的多孔材料（如活性炭），其最顯著的潛在優(yōu)勢之一是？(A)更低的生產(chǎn)成本(B)更優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(C)更簡單的再生過程(D)更高的機(jī)械強(qiáng)度8.當(dāng)設(shè)計(jì)用于CO2還原反應(yīng)的MOFs催化劑時(shí)，以下哪個(gè)因素可能被重點(diǎn)考慮以增強(qiáng)選擇性？(A)MOFs的孔道大小與CO2分子的匹配度(B)MOFs的比表面積大小(C)有機(jī)連接體的酸性(D)金屬節(jié)點(diǎn)的還原電位9.MOFs材料在超級電容器中的應(yīng)用中，為了提高其儲能密度，通常會關(guān)注哪些方面的優(yōu)化？(A)增加MOFs的孔徑大小(B)提高M(jìn)OFs的比表面積和離子AccessiblePorosity(C)降低有機(jī)連接體的電子離域性(D)減少M(fèi)OFs的結(jié)晶度10.下列哪種應(yīng)用領(lǐng)域不屬于MOFs材料在能源化學(xué)交叉領(lǐng)域的重要探索方向？(A)利用MOFs作為高效的太陽能光催化劑(B)將MOFs負(fù)載在石墨烯上制備復(fù)合電極材料用于鋰電池(C)開發(fā)MOFs基氣體傳感器用于監(jiān)測能源設(shè)施中的泄漏氣體(D)利用MOFs作為藥物載體進(jìn)行疾病治療二、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案寫在題干后的橫線上）11.請簡述影響MOFs材料氣體儲存能力的關(guān)鍵因素。12.簡要說明MOFs材料具有可調(diào)結(jié)構(gòu)特性的原因，并舉例說明這種可調(diào)性如何應(yīng)用于能源化學(xué)應(yīng)用。13.闡述金屬有機(jī)骨架（MOFs）作為電化學(xué)儲能材料（如超級電容器或電池電極）時(shí)，面臨的主要挑戰(zhàn)。14.在利用MOFs進(jìn)行光催化應(yīng)用時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系？三、論述題（每小題10分，共30分。請將答案寫在題干后的橫線上或指定位置）15.結(jié)合具體實(shí)例或機(jī)理，論述MOFs材料在催化二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化制取化學(xué)品或燃料方面的潛在優(yōu)勢和應(yīng)用前景。16.詳細(xì)分析MOFs材料在開發(fā)高效電解水制氫催化劑方面可能的作用機(jī)制，并探討其目前存在的挑戰(zhàn)。17.以一種特定的MOFs材料為例（如ZIF-8,MOF-575,HKUST-1等，可自行選擇或指定），論述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如何決定其在能源化學(xué)領(lǐng)域的特定應(yīng)用性能，并簡要說明其在該應(yīng)用中的工作原理。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號內(nèi)）1.(D)2.(C)3.(C)4.(C)5.(B)6.(A)7.(B)8.(A)9.(B)10.(D)二、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案寫在題干后的橫線上）11.影響MOFs材料氣體儲存能力的關(guān)鍵因素包括：MOFs的比表面積（越大越好）、孔徑大小和分布（需與氣體分子尺寸匹配）、孔道內(nèi)外的化學(xué)環(huán)境（如路易斯酸位點(diǎn)、靜電相互作用等，可增強(qiáng)吸附）、氣體與MOFs之間的相互作用力（如范德華力、氫鍵、靜電作用、化學(xué)鍵合等）、以及MOFs材料本身的穩(wěn)定性（高溫下不脫附、不分解）。12.MOFs材料具有可調(diào)結(jié)構(gòu)特性的原因在于其組成單元（金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)連接體）是可設(shè)計(jì)的。通過選擇不同的金屬離子/簇和有機(jī)配體，可以調(diào)控節(jié)點(diǎn)種類、連接方式、孔道尺寸、化學(xué)性質(zhì)等。這種可調(diào)性使得MOFs能夠被“定制”以滿足特定應(yīng)用需求，例如，設(shè)計(jì)特定孔徑的MOF用于選擇性吸附儲氫氣體，或設(shè)計(jì)具有特定催化活性位點(diǎn)的MOF用于電化學(xué)轉(zhuǎn)化。13.MOFs作為電化學(xué)儲能材料面臨的主要挑戰(zhàn)包括：導(dǎo)電性普遍較差，限制了電荷在材料內(nèi)部的傳輸速率，影響器件性能；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，尤其是在電化學(xué)循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)坍塌或金屬節(jié)點(diǎn)/有機(jī)連接體脫落；離子（如鋰離子）在MOF孔道內(nèi)的傳輸動力學(xué)可能較慢；MOFs材料通常密度較低且缺乏合適的加工性能，難以制備成高能量密度、長壽命的電極器件；規(guī)?；苽浜统杀究刂埔彩菍?shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。14.在利用MOFs進(jìn)行光催化應(yīng)用時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系包括：MOFs是否具有合適的能帶結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴的有效分離與利用；材料是否具有足夠的比表面積以提供更多的活性位點(diǎn)；孔道內(nèi)是否有合適的化學(xué)環(huán)境（如氧化還原位點(diǎn)）以吸附和活化反應(yīng)物；是否具有合適的尺寸和形貌以利于光能吸收和物質(zhì)傳輸；以及材料的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。三、論述題（每小題10分，共30分。請將答案寫在題干后的橫線上或指定位置）15.MOFs材料在催化CO2轉(zhuǎn)化方面具有顯著優(yōu)勢。首先，其極高的比表面積和可設(shè)計(jì)的孔道結(jié)構(gòu)（尺寸、形狀、化學(xué)環(huán)境）能夠有效吸附CO2分子，并可能通過構(gòu)型限制效應(yīng)促進(jìn)CO2活化。其次，MOFs的組成多樣性使其能夠通過選擇合適的金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)連接體來構(gòu)建具有特定催化活性位點(diǎn)（如路易斯酸位、堿位、氧化還原活性中心）的材料，從而實(shí)現(xiàn)對CO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)（如加氫制甲烷、制烯烴、制二氧化碳還原產(chǎn)物等）的精準(zhǔn)調(diào)控和催化。此外，MOFs易于功能化，可在孔道內(nèi)引入活性物種或助催化劑，并允許底物和產(chǎn)物的高效擴(kuò)散，可能提高催化效率和選擇性。其潛在應(yīng)用前景廣闊，有望為CO2資源化利用提供新的策略。16.MOFs材料在電解水制氫催化劑方面可能的作用機(jī)制包括：MOFs的高比表面積提供了大量的潛在活性位點(diǎn)；其孔道結(jié)構(gòu)可以容納反應(yīng)物（H+或OH-）并促進(jìn)其向活性位點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，降低反應(yīng)阻抗；MOFs的金屬節(jié)點(diǎn)或有機(jī)連接體部分可以充當(dāng)路易斯酸或堿位點(diǎn)，或具有氧化還原活性，直接參與電催化反應(yīng)，或吸附中間體，加速反應(yīng)進(jìn)程。例如，某些MOFs的金屬節(jié)點(diǎn)可以活化水分子，降低析氫過電位。其挑戰(zhàn)主要在于：如何提高M(jìn)OFs本征的導(dǎo)電性；如何實(shí)現(xiàn)高活性和高選擇性的活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)；如何在電化學(xué)循環(huán)中保持MOFs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（防止金屬流失、有機(jī)鏈斷裂）；以及如何將MOFs材料有效負(fù)載、固定并形成穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)。17.以MOF-5為例，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（由Zn2?節(jié)點(diǎn)和連接的1,4-苯二酸根有機(jī)連接體構(gòu)成，形成高度孔隙性的MOF）決定了其在能源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用性能。其高比表面積（理論值高達(dá)2900m2/g）和較大的孔道尺寸（約1.3nm）有利于氣體分子（如氫氣、二氧化碳）的吸附和擴(kuò)散，使其在儲氫和氣體分離方面具有潛力。其結(jié)構(gòu)中豐富的鋅離子路易斯酸位點(diǎn)可以作為CO2活化的位點(diǎn)，結(jié)合其孔道環(huán)境，可用于CO2的催化轉(zhuǎn)化。然而，MOF-5的有機(jī)連