2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——新型能源轉(zhuǎn)化器件的開發(fā)與應(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(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種材料通常被用作鋰離子電池正極材料，其主要通過鋰離子嵌入/脫出實(shí)現(xiàn)充放電？()A.鈦酸鋰(LiFePO?)B.磷酸鐵鋰(LiFePO?)C.鈷酸鋰(LiCoO?)D.三元材料(LiNiMnCoO?)2.在燃料電池中，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵場所是？()A.電解質(zhì)B.催化劑層C.氣體擴(kuò)散層D.電極基體3.光伏催化水分解制氫過程中，為提高產(chǎn)氫效率，通常需要選擇禁帶寬度合適的半導(dǎo)體材料，下列哪種半導(dǎo)體材料的禁帶寬度最適宜？()A.金剛石(Diamond)B.二氧化鈦(TiO?)C.石墨(Graphite)D.硅(Silicon)4.影響鋰離子電池倍率性能的主要因素之一是？()A.電解液粘度B.負(fù)極材料體積膨脹C.SEI膜穩(wěn)定性D.電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)5.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池與固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）在電解質(zhì)性質(zhì)上的主要區(qū)別是？()A.導(dǎo)電機(jī)制B.工作溫度C.材料成本D.電化學(xué)阻抗6.對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能器件而言，循環(huán)壽命主要受到哪些因素的制約？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性B.電解液的化學(xué)穩(wěn)定性C.充放電倍率D.器件的熱管理系統(tǒng)7.在設(shè)計(jì)和開發(fā)新型電催化材料時(shí)，為了提高反應(yīng)速率，通常會(huì)關(guān)注哪些性能？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.高比表面積B.良好的導(dǎo)電性C.低成本D.高選擇性8.熱電轉(zhuǎn)換器件的工作原理基于什么物理效應(yīng)？()A.法拉第電解定律B.奧斯特效應(yīng)C.熱電塞貝克效應(yīng)D.液體擴(kuò)散定律9.固態(tài)電池相比液態(tài)電池的主要優(yōu)勢之一是？()A.能量密度更高B.成本更低C.循環(huán)壽命更長D.充電速度更快10.下列哪種技術(shù)不屬于利用光電催化原理？()A.水分解制氫B.CO?還原制碳燃料C.有機(jī)污染物降解D.鋰離子電池充電二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.能源轉(zhuǎn)化器件的性能通常通過能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、______和安全性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。2.在鋰離子電池中，鋰離子在正負(fù)極材料之間的嵌入/脫出過程伴隨著______的變化。3.燃料電池根據(jù)電解質(zhì)的不同可分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、______燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池等。4.光電催化材料除了需要具備合適的能帶結(jié)構(gòu)外，還通常需要具備良好的______和穩(wěn)定性。5.影響燃料電池性能的關(guān)鍵催化劑是______催化劑和氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑。6.超級(jí)電容器（EDLC）的主要儲(chǔ)能機(jī)制是______的快速充放電。7.提高熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于提高材料的______和降低熱導(dǎo)率。8.鋅空氣電池是一種具有潛力的金屬空氣電池，其負(fù)極反應(yīng)是______的氧化反應(yīng)。9.固態(tài)電解質(zhì)通常具有比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)更高的______和更好的安全性。10.電極材料的______是指材料在充放電過程中結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定的能力。三、簡答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡要回答下列問題）1.簡述鋰離子電池的基本工作原理，包括正負(fù)極反應(yīng)和電子、離子傳輸路徑。2.比較燃料電池和傳統(tǒng)電池在能量轉(zhuǎn)換方式和效率方面的主要差異。3.簡述提高光電催化水分解制氫效率的常用方法。4.闡述儲(chǔ)能器件開發(fā)中，材料選擇需要考慮的關(guān)鍵因素。四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題）1.分析鋰離子電池在實(shí)現(xiàn)高能量密度和長循環(huán)壽命方面各自面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。2.探討固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、主要優(yōu)勢以及當(dāng)前面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。3.結(jié)合當(dāng)前能源環(huán)境問題，論述發(fā)展新型能源轉(zhuǎn)化器件（如高效光電催化劑、高穩(wěn)定性燃料電池等）對(duì)于推動(dòng)可持續(xù)能源發(fā)展的意義和方向。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.D5.A6.A,B7.A,B8.C9.A10.D二、填空題1.成本2.相結(jié)構(gòu)3.固態(tài)電解質(zhì)4.光學(xué)性質(zhì)5.氫氣(或H?)6.雙電層7.能量轉(zhuǎn)換效率(或ZT值)8.鋅(或Zn)9.離子電導(dǎo)率10.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性三、簡答題1.解析思路：回答需包含正負(fù)極材料名稱及對(duì)應(yīng)反應(yīng)、鋰離子移動(dòng)路徑和電子在外電路的流動(dòng)方向。鋰離子從負(fù)極（通常是石墨）脫出，通過電解質(zhì)遷移到正極（如LiCoO?），在外電路中電子流動(dòng)，完成充放電過程。2.解析思路：指出燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過電化學(xué)反應(yīng)；傳統(tǒng)電池通過可逆的化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)外部電路。比較效率時(shí)，指出燃料電池理論上能量轉(zhuǎn)換效率更高（接近熱力學(xué)效率），傳統(tǒng)電池受限于電池反應(yīng)本身熱力學(xué)極限。3.解析思路：從材料、結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)等角度回答。材料方面：提高材料本身的催化活性、拓寬光譜響應(yīng)范圍；結(jié)構(gòu)方面：增大比表面積、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)；器件結(jié)構(gòu)方面：優(yōu)化光陽極/陰極間距、設(shè)計(jì)有效的電荷分離與傳輸路徑、構(gòu)建三相界面等。4.解析思路：從電極/電催化、電解質(zhì)、結(jié)構(gòu)、成本、安全性等角度回答。電極材料需具備高比表面積、優(yōu)異的電子/離子電導(dǎo)率、高催化活性、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；電解質(zhì)需具備高離子電導(dǎo)率、合適的離子化學(xué)環(huán)境、良好的穩(wěn)定性；器件結(jié)構(gòu)需利于反應(yīng)物傳輸和電荷收集；同時(shí)需考慮材料成本和器件整體安全性。四、論述題1.解析思路：*高能量密度挑戰(zhàn)與解析：主要在于負(fù)極材料。鋰金屬負(fù)極存在安全性、循環(huán)壽命（枝晶生長）問題；現(xiàn)有鋰離子正極材料（如層狀、尖晶石）能量密度接近理論極限。解析：提出解決方案需圍繞新型負(fù)極材料（如固態(tài)鋰、合金負(fù)極）、高壓正極材料（如聚陰離子）、硅基負(fù)極（解決膨脹問題）等。*長循環(huán)壽命挑戰(zhàn)與解析：主要在于材料穩(wěn)定性。充放電過程中的體積膨脹/收縮導(dǎo)致粉化、界面阻抗增加；電解液分解、副反應(yīng)；SEI膜不穩(wěn)定或生長過厚。解析：提出解決方案需圍繞開發(fā)高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的正負(fù)極材料、固態(tài)電解質(zhì)以穩(wěn)定界面、改進(jìn)電解液（如添加劑）、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。2.解析思路：*發(fā)展現(xiàn)狀：提及固態(tài)電解質(zhì)（如LLZO,LISICON,鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)）和全固態(tài)電池的進(jìn)步，報(bào)道的電池性能參數(shù)（能量密度、循環(huán)次數(shù)）。*主要優(yōu)勢：高安全性（不易燃）、高能量密度（界面阻抗低）、寬工作溫度范圍、長循環(huán)壽命（界面穩(wěn)定）、可能簡化電池結(jié)構(gòu)。解析需具體說明這些優(yōu)勢如何源于固態(tài)電解質(zhì)的特性。*關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率（尤其室溫下）、與電極材料的界面相容性（熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)）、制備工藝（大面積、低成本、均勻性）、機(jī)械性能（柔韌性、耐久性）。解析需深入分析這些瓶頸對(duì)器件性能和商業(yè)化的影響。3.解析思路：*意義：新型能源轉(zhuǎn)化器件是發(fā)展可再生能源（如太陽能、風(fēng)能）并網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)能源就地轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的關(guān)鍵，有助于減少對(duì)化石燃料的依賴、降低碳排放、提高能源利用效率、保障能源安全。解析需結(jié)合全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。*方向：針對(duì)