2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——分子燃料電池技術的發(fā)展趨勢預測考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______考生須知：1.請將所有答案寫在答題紙上，寫在試卷上無效。2.答題時請仔細閱讀題目要求，確保答案符合題目意圖。3.請保持答題卡整潔，書寫清晰。一、填空題1.分子燃料電池通過電化學反應直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為__________和__________的過程。2.目前，分子燃料電池中應用最廣泛的催化劑是__________和__________，但其成本高、資源有限或穩(wěn)定性問題限制了應用。3.提高分子燃料電池催化劑性能的關鍵途徑包括__________、__________和開發(fā)新型__________催化劑。4.固態(tài)電解質(zhì)燃料電池相比質(zhì)子交換膜燃料電池的主要優(yōu)勢在于__________和__________。5.分子燃料電池的耐久性問題主要涉及__________的穩(wěn)定性、__________的抗降解能力以及長期運行下的__________問題。6.為了實現(xiàn)分子燃料電池的實際應用，尤其是在__________領域，需要解決__________、__________和__________等關鍵問題。7.通過__________或__________技術制備的多孔碳材料，因其優(yōu)異的表面積和結構，被認為是很有潛力的分子燃料電池電極材料。8.分子燃料電池的燃料選擇對其__________、__________和__________有重要影響。除了氫和醇類，__________和__________等也受到關注。9.電化學阻抗譜（EIS）是研究分子燃料電池__________和__________的常用技術。10.預計未來分子燃料電池的發(fā)展將更加注重__________的提升、__________的降低以及__________的優(yōu)化。二、簡答題1.簡述分子燃料電池中質(zhì)子交換膜（PEM）的典型結構及其功能。2.比較直接甲醇燃料電池（DMFC）和直接乙醇燃料電池（DEFC）在催化劑選擇和性能方面的主要差異。3.簡述固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。4.解釋什么是“分子尺度設計”在燃料電池催化劑開發(fā)中的意義。5.簡述分子燃料電池在實際應用中可能遇到的safety問題及其應對策略。6.結合當前研究進展，簡述你預測的下一代分子燃料電池在關鍵性能指標上可能實現(xiàn)的主要突破。三、論述題1.詳細論述提高分子燃料電池陰極催化劑性能的多種策略，并分析每種策略的優(yōu)缺點及面臨的挑戰(zhàn)。2.針對分子燃料電池中電解質(zhì)膜的水熱穩(wěn)定性、離子傳導率和膜-電極界面接觸等問題，分別提出可能的解決方案，并闡述其原理。3.談談你對分子燃料電池在未來便攜式電子設備和固定式分布式發(fā)電中應用前景的看法，分析其潛在的優(yōu)勢、劣勢以及需要克服的技術障礙。4.評述近年來非貴金屬催化劑在分子燃料電池中的應用進展，并預測其在未來實現(xiàn)商業(yè)化應用的可能性及需要解決的關鍵科學問題。試卷答案---------------------一、填空題1.電能，熱能2.鉑，釕3.合金化，表面改性，單原子4.高溫工作，高安全性5.催化劑，電解質(zhì)膜，電化學極化6.車載，成本，功率密度，壽命7.噴涂，模板法8.能量密度，功率密度，燃料選擇范圍，氨，甲烷9.極限電流密度，歐姆電阻10.單電池功率密度，成本，系統(tǒng)集成效率二、簡答題1.答：質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的典型結構通常包括陽極、質(zhì)子交換膜（PEM）、陰極和雙極板。陽極和陰極是催化電化學反應的場所，通常包含催化層和支撐層。質(zhì)子交換膜位于陽極和陰極之間，作為離子傳導的通道，同時阻隔電子和氣體。雙極板用于收集電子并將燃料氣和氧化劑氣輸送到電極區(qū)域，通常具有流場通道和導電涂層。2.答：DMFC和DEFC的主要差異在于催化劑選擇和性能。DMFC通常使用更廉價的鉑基催化劑，但甲醇在陽極的氧化動力學較慢，且容易發(fā)生副反應產(chǎn)生CO。DEFC理論上具有更高的能量密度，但乙醇在陽極的氧化路徑更復雜，對催化劑的要求更高，目前高效的非貴金屬催化劑仍面臨挑戰(zhàn)。此外，DEFC的CO耐受性通常優(yōu)于DMFC。3.答：SOFC面臨的主要挑戰(zhàn)包括：高溫工作（>600°C）導致的材料熱失配和化學降解；陰極長期運行下的穩(wěn)定性問題，特別是氧還原反應（ORR）催化劑（如LaNiO3基鈣鈦礦）的燒結和催化活性衰減；電解質(zhì)膜的燒結問題以及在高溫下的離子傳導損失。可能的解決方案包括開發(fā)新型耐高溫、抗蠕變、低電阻的電解質(zhì)材料（如ScSZ、GdBaCO3）；設計新型高效、穩(wěn)定的ORR催化劑；優(yōu)化電池結構設計，改善熱管理；采用摻鋯穩(wěn)定的釤鈷氧（SmCoO3）等作為陰極材料。4.答：“分子尺度設計”在燃料電池催化劑開發(fā)中是指通過精確控制催化劑的原子或分子級別結構（如單原子催化劑、納米團簇、分子篩等）來調(diào)控其電子結構、表面態(tài)和催化活性位點，從而實現(xiàn)對催化性能的優(yōu)化。這種設計理念強調(diào)在原子或分子水平上理解和構建高效的催化體系，以克服傳統(tǒng)材料設計中結構-性能關系模糊的缺點，實現(xiàn)更高的催化活性和選擇性。5.答：分子燃料電池在實際應用中可能遇到的safety問題主要包括：燃料（如氫氣）的泄漏和爆炸風險；高電壓下可能出現(xiàn)的電擊危險；高溫運行可能導致的燙傷風險；以及燃料和電解質(zhì)可能產(chǎn)生的有毒或腐蝕性副產(chǎn)物。應對策略包括：采用安全的燃料存儲和供應系統(tǒng)（如高壓氣瓶、液氫、燃料電池重整器）；設計可靠的電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)測和控制系統(tǒng)電壓、溫度、電流等參數(shù)，防止過充、過熱；使用絕緣材料和防護外殼；確保燃料和電解質(zhì)的化學穩(wěn)定性，減少副產(chǎn)物生成。6.答：預測下一代分子燃料電池可能實現(xiàn)的主要突破包括：單電池功率密度顯著提升，可能通過開發(fā)高效的非貴金屬催化劑、優(yōu)化電極結構和電池設計、采用新型高離子電導率電解質(zhì)等手段實現(xiàn)，以滿足便攜式設備和更高功率密度的需求；成本大幅降低，主要通過規(guī)?；a(chǎn)、開發(fā)低鉑或無鉑催化劑、使用廉價且高性能的替代材料（如碳紙、石墨烯）等途徑實現(xiàn)；運行壽命和穩(wěn)定性顯著提高，通過改善材料抗衰減性能、優(yōu)化膜電極界面、開發(fā)有效的電池管理策略等實現(xiàn)；系統(tǒng)集成效率優(yōu)化，通過模塊化設計、熱管理優(yōu)化、與儲能系統(tǒng)耦合等實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率和應用可靠性。三、論述題1.答：提高分子燃料電池陰極催化劑性能的多種策略主要包括：*開發(fā)新型高效非貴金屬催化劑：策略是利用理論計算、材料設計等手段，發(fā)現(xiàn)和設計具有優(yōu)異氧還原反應（ORR）活性的非貴金屬催化劑，如過氧化物、氮化物、磷化物、合金、單原子催化劑等。優(yōu)點是成本低、資源豐富。缺點是目前的非貴金屬催化劑在活性、穩(wěn)定性和耐CO耐受性方面仍難以完全超越貴金屬，且部分材料的長期穩(wěn)定性仍需提高。*優(yōu)化催化劑形貌和結構：通過精確控制催化劑的納米尺寸、晶相結構、比表面積、孔徑分布和空間排列，暴露更多高效的活性位點。例如，制備納米顆粒、納米線、納米管、多孔結構等。優(yōu)點是可以顯著提高活性位點的可及性和密度。缺點是制備工藝復雜，成本可能較高，且結構穩(wěn)定性在長期運行中可能面臨挑戰(zhàn)。*構建核殼結構或復合材料：將活性組分與高導電性載體（如碳材料）或穩(wěn)定組分結合，形成核殼結構或復合材料，既可以利用活性組分的催化性能，又可以借助載體的導電性和穩(wěn)定性。優(yōu)點是兼顧了活性、穩(wěn)定性和導電性。缺點是界面結合的穩(wěn)定性和均勻性控制難度較大。*表面修飾和缺陷工程：對催化劑表面進行特定的化學修飾或通過引入缺陷來調(diào)控其電子結構，從而提高催化活性。優(yōu)點是可以在不改變主體材料的情況下，通過低成本的方法顯著提升性能。缺點是修飾效果的控制和穩(wěn)定性需要深入研究。*電解質(zhì)-催化劑界面工程：優(yōu)化催化劑與電解質(zhì)膜之間的界面接觸，減少電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高反應動力學。例如，通過表面處理、中間層插入等方式改善界面匹配。優(yōu)點是可以在不顯著改變體相性能的情況下提升電池整體性能。缺點是界面結構的調(diào)控較為復雜。分析每種策略的優(yōu)缺點及面臨的挑戰(zhàn)：這些策略各有側重，通常需要結合多種方法才能達到最佳效果。共同面臨的挑戰(zhàn)包括如何精確控制材料的微觀結構、如何確保長期運行下的穩(wěn)定性、如何實現(xiàn)大規(guī)模低成本制備以及如何準確評估催化性能等。2.答：針對分子燃料電池中電解質(zhì)膜的水熱穩(wěn)定性、離子傳導率和膜-電極界面接觸等問題，可能的解決方案及其原理如下：*提高電解質(zhì)膜的水熱穩(wěn)定性：解決方案包括開發(fā)新型耐高溫、抗水解的材料，如氟化聚合物（如PEEK、PVDF-HFP）、玻璃態(tài)聚合物（如ASPE）、陶瓷材料（如GDC、YSZ、ScSZ）及其復合材料。原理是這些材料具有更高的熱分解溫度和抗水解能力，能夠在高溫和水環(huán)境中保持結構和化學性質(zhì)的穩(wěn)定性，從而延長電池壽命。*提高離子傳導率：解決方案包括提高電解質(zhì)材料的離子電導率，特別是質(zhì)子傳導率（對于PEMFC）或氧離子傳導率（對于SOFC）。可以通過提高離子擴散系數(shù)、增加離子濃度（如通過摻雜）、降低晶格缺陷電阻等途徑實現(xiàn)。例如，在PEM中開發(fā)高質(zhì)子傳導率的聚合物膜或質(zhì)子導體；在SOFC中開發(fā)低聲子電阻、高離子遷移數(shù)的鈣鈦礦型氧化物電解質(zhì)。原理是更高的離子傳導率可以降低電池的內(nèi)阻，提高能量轉(zhuǎn)換效率。*改善膜-電極界面接觸：解決方案包括優(yōu)化電極催化層的制備工藝（如低溫噴涂、浸涂、電沉積等），引入界面層（如離子導體、粘結劑優(yōu)化），確保電極顆粒與電解質(zhì)膜之間良好的電接觸和離子接觸。原理是良好的界面接觸可以降低膜電極界面電阻（IMEC），提高電荷轉(zhuǎn)移速率，從而提升電池的性能和穩(wěn)定性，防止電解質(zhì)膜被電極材料浸潤或電極顆粒脫落。3.答：我對分子燃料電池在未來便攜式電子設備和固定式分布式發(fā)電中應用前景的看法如下：*優(yōu)勢：*高能量密度：相比電池，燃料電池的能量密度更高，尤其是在使用氫氣等燃料時，可以提供更長的續(xù)航時間，非常適合對體積和重量敏感的便攜式設備。*零或低排放：在使用氫氣等清潔燃料時，燃料電池只產(chǎn)生水，幾乎無污染，符合環(huán)保要求，特別適用于對排放有嚴格限制的固定式應用場景。*持續(xù)運行能力：燃料電池可以持續(xù)運行，只要燃料供應充足，無需像電池那樣需要長時間充電，適合需要連續(xù)供電的設備。*燃料靈活性：可以使用多種燃料，如氫氣、天然氣、甲醇、乙醇甚至生物質(zhì)氣，為燃料供應提供了多樣性。*劣勢：*成本：目前，分子燃料電池（特別是PEMFC）的系統(tǒng)成本仍然較高，主要在于催化劑（鉑）、電解質(zhì)膜和雙極板的成本。*技術成熟度和壽命：相比傳統(tǒng)電池技術，燃料電池技術成熟度較低，長期運行的穩(wěn)定性和壽命仍需進一步驗證和提高。*基礎設施：對于氫燃料電池，需要建立相應的氫氣生產(chǎn)和加注基礎設施；對于其他燃料，也需要相應的處理和供應系統(tǒng)。*低溫啟動性能：某些類型的燃料電池（如PEMFC）在低溫環(huán)境下的啟動性能較差。*需要克服的技術障礙：主要包括降低成本（特別是催化劑成本），提高電池性能（功率密度、能量密度），延長使用壽命和穩(wěn)定性，提高低溫啟動性能和耐久性，以及開發(fā)安全的燃料處理和電池管理系統(tǒng)。隨著技術的不斷進步和規(guī)模化的推進，這些障礙有望逐步得到解決。綜合來看，分子燃料電池在便攜式電子設備（如高性能筆記本電腦、便攜式電源）和固定式分布式發(fā)電（如樓宇供電、應急電源、偏遠地區(qū)供電）領域具有廣闊的應用前景，但仍需克服成本、壽命和基礎設施等方面的挑戰(zhàn)。4.答：近年來非貴金屬催化劑在分子燃料電池中的應用進展迅速，主要集中在提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中氧還原反應（ORR）的催化活性，并努力實現(xiàn)成本效益和耐CO耐受性。主要進展包括：*過渡金屬氧化物/硫化物/氮化物：如NiO,CoO,FeO,NiS,CoS,FeS,NiN,CoN等，通過調(diào)控元素組成、形貌（納米顆粒、納米線、納米片）和結構（合金、核殼、單原子）來提高ORR活性。*碳基材料負載：將過渡金屬或其化合物負載在具有高比表面積和優(yōu)異導電性的碳材料（如石墨烯、碳納米管、碳纖維）上，構建復合催化劑，利用碳材料的導電性促進電荷轉(zhuǎn)移，并提供豐富的活性位點。*過氧化物：如Fe2O3,Co3O4,NiOx等，通過理論計算指導設計，暴露具有高活性的晶面或缺陷位。*磷化物和氮化物：如Ni2P,Fe2P,CoN,MoN等，這些材料被認為具有獨特的電子結構和表面化學性質(zhì)，展現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性。非貴金屬催化劑在實驗室尺度上已經(jīng)展現(xiàn)出比商業(yè)鉑/C催化劑更高的ORR活性，甚至在堿性介質(zhì)中達到了與鉑相當甚至更高的活性。然而，它們在酸性介質(zhì)中的活性、長期運行穩(wěn)定性（特別是抗CO中毒和耐腐蝕性）以及規(guī)模化制備的可行性仍然是挑戰(zhàn)。目前，非貴金屬催化劑的商