2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——新型燃料電池材料的研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，下列哪種材料通常用作陽極催化劑？（）A.LSCF陶瓷B.鉑（Pt）C.氮化鉬（MoN）D.銀氧化物（Ag?O）2.提高燃料電池催化劑耐久性的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是抑制碳中間體的積聚，這通常與哪種現(xiàn)象相關(guān)？（）A.電化學(xué)腐蝕B.積碳（Coking）C.熔融（Melting）D.晶格氧釋放3.與傳統(tǒng)的聚合物質(zhì)子交換膜相比，全氟磺酸膜（如Nafion）的主要優(yōu)點(diǎn)之一是？（）A.更高的離子傳導(dǎo)率B.更低的成本C.更好的耐高溫性能D.更低的燃料滲透率4.在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，電解質(zhì)層通常采用哪種材料來保證在高溫下（>600°C）具有高離子電導(dǎo)率？（）A.碳酸鋰（Li?CO?）B.氧化鋯固溶體（如YSZ）C.硫酸鋇（BaSO?）D.氮化硅（Si?N?）5.對(duì)于直接甲醇燃料電池（DMFC），選擇非貴金屬催化劑的主要驅(qū)動(dòng)力是？（）A.更高的電化學(xué)活性B.更優(yōu)異的耐CO?耐受性C.顯著降低的成本D.更簡單的制備工藝6.電極中氣體擴(kuò)散層（GDL）的主要功能之一是？（）A.提供催化活性位點(diǎn)B.承擔(dān)大部分催化反應(yīng)C.促進(jìn)反應(yīng)物傳輸并提供電子導(dǎo)通D.復(fù)蓋催化劑顆粒，防止脫落7.采用水熱法制備氧化物催化劑時(shí)，其主要優(yōu)勢(shì)在于？（）A.可以在低溫下進(jìn)行B.能有效控制產(chǎn)物形貌和尺寸C.成本低廉，操作簡單D.適用于所有類型的無機(jī)材料8.在燃料電池性能評(píng)價(jià)中，極化曲線（Potential-CurrentCurve）通常用于測(cè)量？（）A.電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率B.電極的催化活性C.燃料電池的電壓輸出和電流密度關(guān)系D.膜的滲透率9.為了提高燃料電池對(duì)含有CO?的燃料的耐受性，催化劑需要具備的特性是？（）A.高氧親和性B.高碳親和性C.對(duì)CO?化學(xué)惰性D.高機(jī)械強(qiáng)度10.下列哪種方法不屬于常用的碳納米管（CNTs）改性以提升其作為燃料電池催化劑載體的性能？（）A.官能化（Functionalization）B.包覆（Passivation）C.碳納米管直接負(fù)載活性金屬D.等離子體處理（PlasmaTreatment）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.燃料電池中，__________是指電極電位相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位差。2.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，__________是主要的副反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致燃料效率降低。3.固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）的工作溫度通常在__________℃以上。4.催化劑的__________是指其抵抗結(jié)構(gòu)變化和活性衰減的能力，對(duì)于燃料電池的長期運(yùn)行至關(guān)重要。5.氧還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池中關(guān)鍵的電化學(xué)反應(yīng)，其催化劑的性能通常用__________和__________來評(píng)價(jià)。6.制備高性能固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料時(shí)，通常需要考慮其__________、__________和__________等關(guān)鍵性能。7.為了減輕鉑催化劑在PEMFC中的積碳問題，可以使用__________等作為添加劑。8.氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料有時(shí)也被研究用于__________電池的電極。9.除了質(zhì)子交換膜，堿性燃料電池（AFC）還可以使用__________作為電解質(zhì)。10.通過__________技術(shù)可以在石墨烯等二維材料上精確構(gòu)筑納米尺度的催化結(jié)構(gòu)。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.積碳（Coking）2.三相電極（Three-phaseBoundary,TPB）3.耐久性（Durability）4.氧氣析出過電位（OxygenEvolutionOverpotential,OEP）5.離子電導(dǎo)率（IonicConductivity）四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述直接甲醇燃料電池（DMFC）相比質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的主要優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。2.列舉至少三種用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）陽極的非鉑催化劑，并簡述其優(yōu)點(diǎn)。3.簡述提高燃料電池催化劑選擇性的意義，并舉例說明如何通過材料設(shè)計(jì)來提高選擇性。4.簡述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，質(zhì)子交換膜（PEM）需要具備的主要性能指標(biāo)。五、論述題（每小題10分，共30分）1.詳細(xì)論述提高燃料電池中催化劑（特別是鉑基催化劑）耐久性的主要途徑及其面臨的挑戰(zhàn)。2.以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，論述電極（催化層和氣體擴(kuò)散層）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇對(duì)其性能的影響。3.當(dāng)前，固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？針對(duì)這些挑戰(zhàn)，你認(rèn)為在材料、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)層面有哪些潛在的研究方向或解決方案？---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.C7.B8.C9.A10.C二、填空題1.過電位2.氧析出反應(yīng)3.6004.耐久性5.半波電位；電流密度6.高離子電導(dǎo)率；高化學(xué)/熱穩(wěn)定性；良好的機(jī)械強(qiáng)度7.碳酸鉀（K?CO?）8.固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）或直接氨燃料電池（DAFC）9.堿性電解質(zhì)（如KOH溶液或聚苯胺基質(zhì)子交換膜）10.自組裝（Self-assembly）；分子束外延（MBE）三、名詞解釋1.積碳：指燃料在催化劑表面發(fā)生不完全氧化，生成碳沉積物的現(xiàn)象。2.三相電極：指電極中氣相、液相（電解質(zhì)或燃料/氧化劑）和固相（電極材料）三相界面共存的區(qū)域，通常是電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生的場所。3.耐久性：指燃料電池組件（特別是催化劑）在長期運(yùn)行（經(jīng)歷溫度循環(huán)、電位波動(dòng)、燃料中毒等）后，其性能（如活性、選擇性）保持穩(wěn)定的能力。4.氧氣析出過電位：指在電化學(xué)陽極過程中，電極電位相對(duì)于平衡電位正移到開始產(chǎn)生氧氣所需的額外電位差。5.離子電導(dǎo)率：指電解質(zhì)材料傳導(dǎo)離子電荷的能力，是衡量其離子傳輸效率的物理量，通常用單位體積或單位質(zhì)量的電導(dǎo)率表示。四、簡答題1.優(yōu)勢(shì)：能量密度高（按質(zhì)量計(jì)）；燃料靈活性好（可直接使用甲醇）；啟動(dòng)速度快；無需貴金屬催化劑。劣勢(shì)：陽極存在副反應(yīng)（甲醇氧化生成CO?），導(dǎo)致燃料效率低；CO?對(duì)催化劑有毒性；需解決碳沉積問題；成本相對(duì)較高。2.例子：氮化鉬（MoN）、鈷酸鋰（LiCoO?）、硼氮化物（BN）。優(yōu)點(diǎn)：成本遠(yuǎn)低于鉑；可能具有更高的本征活性；在某些反應(yīng)條件下表現(xiàn)良好。3.意義：提高選擇性意味著催化劑能更有效地催化目標(biāo)反應(yīng)，同時(shí)抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高燃料電池的效率、壽命和穩(wěn)定性。材料設(shè)計(jì)途徑：調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)（如通過摻雜）；精確控制催化劑的形貌和尺寸；構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)或多相催化劑體系，使不同組分分別具有不同的選擇性。4.主要性能指標(biāo)：高離子電導(dǎo)率（保證質(zhì)子快速傳輸）；良好的化學(xué)穩(wěn)定性（抵抗酸性燃料和水分侵蝕）；良好的物理機(jī)械強(qiáng)度（抗熱震、抗彎曲）；合適的膜厚度（平衡離子傳導(dǎo)與水熱管理）；較低的滲透性（防止氫氣和空氣混合）。五、論述題1.提高催化劑耐久性的主要途徑包括：*開發(fā)非貴金屬或低鉑含量催化劑：通過引入助劑、構(gòu)建特殊結(jié)構(gòu)（如核殼、納米合金）或利用理論計(jì)算指導(dǎo)設(shè)計(jì)，提高催化劑的本征活性和抗中毒能力。*優(yōu)化催化劑載體：選擇高表面積、高分散性、高穩(wěn)定性的載體（如碳材料、氮化物），并提供合適的相互作用，防止活性組分團(tuán)聚和脫落。*降低反應(yīng)條件毒性：研究耐CO?、耐硫、耐碳?xì)浠衔锏戎卸镜拇呋瘎?，或通過預(yù)處理燃料來降低毒性。*結(jié)構(gòu)工程與保護(hù)：通過表面包覆、構(gòu)建穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)等手段，物理隔離活性位點(diǎn)，減緩催化活性組分與反應(yīng)環(huán)境（如酸性、水）的直接接觸。面臨的挑戰(zhàn)：如何在保持高活性的同時(shí)，顯著提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；如何有效防止活性組分在長期運(yùn)行中的團(tuán)聚、燒結(jié)和溶解；如何降低非貴金屬催化劑的成本并維持其長期穩(wěn)定性；如何精確調(diào)控催化劑的微觀結(jié)構(gòu)以獲得最佳耐久性。2.電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇對(duì)PEMFC性能影響顯著：*催化層（CL）：材料選擇（如鉑負(fù)載量、載體類型）直接影響電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)（ORR和HER活性）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如孔隙率、厚度、鉑分布）則影響反應(yīng)物傳輸效率、電子傳導(dǎo)和水的管理。高孔隙率有利于反應(yīng)物傳輸和產(chǎn)物脫除，但可能增加膜滲透；合適的厚度和鉑分布能優(yōu)化成本和性能。*氣體擴(kuò)散層（GDL）：材料（如碳紙、碳布）提供電子傳導(dǎo)通路，并支撐催化層。結(jié)構(gòu)（如孔隙率、表面粗糙度）影響氣體分布均勻性、液態(tài)水傳輸和排除能力。高孔隙率有利于氣體滲透和水分管理，但需平衡機(jī)械強(qiáng)度；表面粗糙度有助于捕獲水。*整體影響：優(yōu)化的電極結(jié)構(gòu)和材料能夠協(xié)同工作，確保高效的電化學(xué)反應(yīng)、高效的反應(yīng)物/產(chǎn)物傳輸以及良好的水的管理，最終提升電池的功率密度、效率、啟動(dòng)速度和耐久性。3.SOFC面臨的主要挑戰(zhàn)及潛在研究方向/解決方案：*挑戰(zhàn)1：高工作溫度（>600°C）帶來的材料挑戰(zhàn)：高溫導(dǎo)致陶瓷材料脆性、連接件腐蝕、密封困難、熱應(yīng)力問題。解決方案：開發(fā)更穩(wěn)定、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)的電解質(zhì)和連接材料（如ScSZ電解質(zhì)、新型連接劑）；優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。*挑戰(zhàn)2：成本高：原材料（如氧化鋯）昂貴，制造工藝復(fù)雜。解決方案：探索低成本替代材料（如摻鍶鈷鐵氧體SSC）；改進(jìn)制造工藝（如卷對(duì)卷制造）；提高規(guī)?；a(chǎn)效率。*挑戰(zhàn)3：啟動(dòng)時(shí)間長：達(dá)到工作溫度需