2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)與能源產(chǎn)業(yè)的相關(guān)性研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述熱力學(xué)第二定律在電化學(xué)儲(chǔ)能（如電池）中的應(yīng)用，并解釋如何利用熱力學(xué)參數(shù)（如吉布斯自由能變、平衡常數(shù)）來預(yù)測(cè)電池反應(yīng)的方向和限度。二、比較并論述固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在工作原理、關(guān)鍵材料、性能特點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域的異同點(diǎn)。三、列舉幾種目前用于光催化水分解制氫的關(guān)鍵催化劑材料，并簡(jiǎn)述提高其光催化活性的主要化學(xué)途徑（例如，從材料設(shè)計(jì)、形貌控制、助催化劑添加等方面說明）。四、能源儲(chǔ)存是應(yīng)對(duì)可再生能源波動(dòng)性的關(guān)鍵。請(qǐng)選擇鋰離子電池或抽水蓄能這兩種技術(shù)中的一種，詳細(xì)闡述其工作原理，并分析其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)的應(yīng)用挑戰(zhàn)。五、碳捕獲與利用（CCU）被認(rèn)為是緩解氣候變化的重要技術(shù)之一。請(qǐng)簡(jiǎn)述一個(gè)具體的CCU路徑（例如，從CO2捕集、轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)品的過程），并討論該路徑所涉及的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)及催化劑，以及其在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的可行性分析要點(diǎn)。六、燃料電池作為一種高效能量轉(zhuǎn)換裝置，其性能受到多種因素的影響。請(qǐng)結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和材料科學(xué)的原理，分析影響燃料電池（以PEMFC為例）功率密度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的主要因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)策略。七、隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源的需求日益增長(zhǎng)，化學(xué)在開發(fā)新型儲(chǔ)能材料和高效轉(zhuǎn)化技術(shù)中扮演著核心角色。請(qǐng)結(jié)合當(dāng)前能源領(lǐng)域的前沿進(jìn)展，論述應(yīng)用化學(xué)在未來能源解決方案中可能發(fā)揮的關(guān)鍵作用，并展望一個(gè)你感興趣的具體研究方向及其潛在應(yīng)用價(jià)值。試卷答案一、熱力學(xué)第二定律指出，孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，或可表述為自發(fā)過程總是向吉布斯自由能減少的方向進(jìn)行。在電化學(xué)儲(chǔ)能中，電池充放電過程涉及電化學(xué)反應(yīng)。電池放電是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的自發(fā)過程，其驅(qū)動(dòng)力是電池電動(dòng)勢(shì)（EMF）驅(qū)動(dòng)的電流。根據(jù)熱力學(xué)，電池放電過程吉布斯自由能變（ΔG）為負(fù)，且ΔG=-nFEcell，其中n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，Ecell為電池電動(dòng)勢(shì)。Ecell>0表示放電過程是自發(fā)的。電池的平衡常數(shù)K（或相關(guān)熱力學(xué)函數(shù)ΔG°）決定了在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)的可能性，ΔG°=-RTlnK，ΔG°越負(fù)，反應(yīng)越容易自發(fā)進(jìn)行。因此，利用吉布斯自由能變和電池電動(dòng)勢(shì)等熱力學(xué)參數(shù)可以判斷電池反應(yīng)的方向、限度以及衡量其做功能力。二、SOFC和PEMFC都是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，但存在顯著差異。*工作原理：SOFC直接在高溫（通常600-1000°C）下將燃料（如氫氣、天然氣）與氧化劑（通常是空氣中的氧氣）在固體電解質(zhì)兩側(cè)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。PEMFC則在較低溫度（約80°C）下運(yùn)行，利用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，允許質(zhì)子（H+）通過，而電子通過外部電路流動(dòng)，燃料（氫氣）在陽極被氧化，水在陰極生成。*關(guān)鍵材料：SOFC關(guān)鍵材料包括高溫穩(wěn)定的固體電解質(zhì)（如YSZ、ScSZ）、陽極（如Ni-YSZcermet）、陰極（如LSCF、SSC）和連接體。PEMFC關(guān)鍵材料包括質(zhì)子交換膜（如Nafion）、陽極和陰極催化劑（通常是貴金屬Pt，但研究在減少用量）、以及流場(chǎng)板。*性能特點(diǎn)：SOFC理論能量轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)60%以上，更高可達(dá)80%以上，因可直接內(nèi)部重整燃料），功率密度相對(duì)較低（需高溫運(yùn)行）。PEMFC功率密度較高，啟動(dòng)速度快，工作溫度低。*主要應(yīng)用領(lǐng)域：SOFC適用于中大型固定式發(fā)電、CombinedHeatandPower(CHP)系統(tǒng)。PEMFC更適用于中小型便攜式電源、車輛（如氫燃料電池汽車）以及分布式發(fā)電。*異同總結(jié)：共同點(diǎn)是都利用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。主要不同在于工作溫度、電解質(zhì)類型、反應(yīng)機(jī)理（高溫直接氧化vs低溫質(zhì)子傳導(dǎo)）、催化劑需求以及對(duì)燃料的要求（SOFC可使用多種碳?xì)淙剂喜⒖赡軆?nèi)部重整，PEMFC通常需純氫或低硫氫氣）。三、用于光催化水分解制氫的關(guān)鍵催化劑材料包括：*金屬氧化物：如二氧化鈦（TiO2）因其穩(wěn)定性好、成本低而被廣泛研究。銳鈦礦相TiO2具有較窄的帶隙（約3.0-3.2eV），但主要吸收紫外光。金紅石相TiO2帶隙較寬（約3.0-3.3eV），但光電轉(zhuǎn)換效率通常低于銳鈦礦相。其他如氧化鋅（ZnO）、氧化鐵（Fe2O3）、氧化鎢（WO3）等也是研究熱點(diǎn)。*金屬硫化物：如硫化鎘（CdS）、硫化鉬（MoS2），通常具有更窄的帶隙，能吸收可見光。*金屬氮化物/氧硫化物：如氮化鎵（GaN）、氧硫化鋅（ZnOS）等。*貴金屬：如鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等，雖然光催化活性高，但成本昂貴，通常用作助催化劑或與半導(dǎo)體復(fù)合。*半導(dǎo)體復(fù)合體系：將兩種或多種半導(dǎo)體材料復(fù)合（如CdS/TiO2,g-C3N4/TiO2），可以實(shí)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)，拓寬光響應(yīng)范圍，并可能促進(jìn)電荷分離。*提高活性的途徑：*材料設(shè)計(jì)：調(diào)控半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)（如摻雜、缺陷工程、形成異質(zhì)結(jié)），使其更適于光水分解所需的能量和電荷轉(zhuǎn)移。*形貌控制：制備具有特定微觀結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米管、納米線、花狀結(jié)構(gòu)、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)）的材料，以增加比表面積，暴露更多活性位點(diǎn)，縮短電荷傳輸距離。*助催化劑添加：在半導(dǎo)體表面負(fù)載高效電催化劑（如Pt），以降低反應(yīng)過電位，加速電化學(xué)反應(yīng)速率。*優(yōu)化反應(yīng)環(huán)境：調(diào)控pH值、添加劑種類等，以優(yōu)化反應(yīng)條件。四、選擇鋰離子電池進(jìn)行闡述。*工作原理：鋰離子電池是一種可充電電池，其核心工作原理是鋰離子（Li+）在正負(fù)極材料之間以及通過電解質(zhì)在隔膜中可逆地脫嵌。放電時(shí)，鋰離子從電位較高的正極材料中脫出，通過電解質(zhì)和隔膜遷移到電位較低的負(fù)極材料中，同時(shí)電子經(jīng)外電路從負(fù)極流向正極，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換。充電時(shí)，在外加電壓驅(qū)動(dòng)下，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)和隔膜遷移回正極，電子由外電路從正極流向負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。常見的正極材料有層狀氧化物（如LiCoO2,LiNiMnCoO2）、尖晶石（如LiMn2O4）等，負(fù)極材料通常是石墨。電解質(zhì)是鋰鹽溶解在有機(jī)溶劑中。*優(yōu)點(diǎn)：能量密度高（單位質(zhì)量或體積儲(chǔ)存的能量多），功率密度適中，循環(huán)壽命長(zhǎng)（尤其使用得當(dāng)），自放電率低，工作溫度范圍較寬，結(jié)構(gòu)相對(duì)安全（相比于某些其他電池類型）。*缺點(diǎn)：成本較高（尤其是正極材料中的貴金屬元素），含有重金屬鋰，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)（過充、過放、受熱可能導(dǎo)致熱失控，甚至起火爆炸），對(duì)環(huán)境有一定影響（生產(chǎn)和廢棄處理），低溫性能下降較快，充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。*應(yīng)用挑戰(zhàn)：高成本限制了其大規(guī)模普及；安全性問題需要持續(xù)改進(jìn)材料體系和電池管理系統(tǒng)（BMS）；資源（鋰、鈷等）的稀缺性和地緣政治風(fēng)險(xiǎn)；提升在極端溫度（高溫和低溫）下的性能；延長(zhǎng)電池全生命周期性能并實(shí)現(xiàn)高效回收利用；滿足電動(dòng)汽車等對(duì)能量密度、快充、壽命的嚴(yán)苛要求。五、選擇CO2加氫制甲醇路徑進(jìn)行闡述。*CCU路徑：CO2加氫制甲醇（CO2+3H2→CH3OH+H2O）是一個(gè)典型的CCU路徑。該過程首先通過捕獲技術(shù)（如燃燒后捕獲、燃燒前捕獲、直接空氣捕獲）從排放源或大氣中捕獲CO2。捕獲的CO2被壓縮后，與氫氣（通常由電解水或天然氣重整制得）按化學(xué)計(jì)量比混合，送入反應(yīng)器。在催化劑（如傳統(tǒng)的銅基催化劑、或研究中的金屬有機(jī)框架MOFs、負(fù)載型稀土催化劑等）作用下，在高溫（通常200-300°C）和高壓（通常5-10MPa）條件下進(jìn)行反應(yīng)，生成甲醇。生成的甲醇可作為燃料、化學(xué)品或進(jìn)一步合成其他產(chǎn)品的原料。副產(chǎn)物水可以通過分離回收氫氣或進(jìn)一步處理。*關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)及催化劑：主要化學(xué)反應(yīng)如上所述。催化劑是核心，傳統(tǒng)上使用基于銅（Cu）的催化劑，通常負(fù)載在氧化鋅（ZnO）和二氧化硅（SiO2）等載體上。催化劑的性能關(guān)鍵在于活性（反應(yīng)速率）、選擇性（最大化甲醇生成，抑制副反應(yīng)如碳沉積）和穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗中毒）。新型催化劑研究致力于提高活性、選擇性、穩(wěn)定性，降低成本，并可能利用太陽能等綠色能源驅(qū)動(dòng)。*可行性分析要點(diǎn)：*技術(shù)成熟度：CO2加氫制甲醇技術(shù)相對(duì)成熟，已有工業(yè)裝置運(yùn)行。*經(jīng)濟(jì)性：成本主要來自CO2捕獲成本（目前是主要瓶頸）、氫氣成本、催化劑成本和能源成本。需要降低捕獲成本和提高能源效率來提升經(jīng)濟(jì)性。*環(huán)境效益：將捕獲的CO2轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品，可減少大氣中CO2濃度，助力碳中和目標(biāo)。*資源利用：利用廉價(jià)的CO2和H2資源，變廢為寶。*政策與市場(chǎng)：需要政策支持（如碳定價(jià)、補(bǔ)貼）和穩(wěn)定的市場(chǎng)需求來推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。六、以PEMFC為例，影響其性能的主要因素及改進(jìn)策略如下：*影響功率密度和穩(wěn)定性的主要因素：*陰極性能：*氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)：ORR是陰極的主要反應(yīng)，其速率決定了電池的極限電流密度和功率密度。Pt催化劑的活性是關(guān)鍵，但Pt資源稀缺且易毒化、燒結(jié)。*陰極催化劑層（CL）結(jié)構(gòu)：CL的厚度、孔隙率、分布、與氣體擴(kuò)散層（GDL）的接觸狀態(tài)影響氣體傳輸、液態(tài)水排出和反應(yīng)物/產(chǎn)物傳輸，進(jìn)而影響性能和穩(wěn)定性。*積碳：在富含CO的燃料中，Pt表面可能積碳，嚴(yán)重降低ORR活性。*副反應(yīng)：如析氧反應(yīng)（OER）的副反應(yīng)會(huì)消耗電子和質(zhì)子，降低效率。*陽極性能：*氫氧化反應(yīng)（HER）動(dòng)力學(xué)：在PEMFC中，HER是主要副反應(yīng)，尤其在陰極電位正移時(shí)加劇。HER會(huì)消耗氫氣，降低能量效率。*積碳：在富氫燃料中，碳沉積在Ni-Mesh陽極上會(huì)降低催化活性。*電解質(zhì)膜性能：膜的離子電導(dǎo)率、水熱穩(wěn)定性、透氣性影響質(zhì)子傳輸效率和膜內(nèi)水熱狀態(tài)，進(jìn)而影響性能和耐久性。膜內(nèi)濕度和離子電導(dǎo)率的平衡至關(guān)重要。*氣體擴(kuò)散層（GDL）性能：GDL需具備高導(dǎo)電性、高孔隙率、低透氣性，以實(shí)現(xiàn)良好的氣體分布、收集和水分管理。*雙極板性能：雙極板的導(dǎo)電性、流體分布能力、密封性影響整體電堆性能。*反應(yīng)氣體（H2/H2O）的純度：陰極濕氣和CO含量是影響Pt穩(wěn)定性和ORR活性的關(guān)鍵因素。*溫度和壓力：運(yùn)行溫度和壓力會(huì)影響反應(yīng)速率、傳質(zhì)過程和材料性能。*改進(jìn)策略：*開發(fā)高性能催化劑：研究非貴金屬催化劑、單原子催化劑、核殼結(jié)構(gòu)催化劑等，提高ORR/HER活性、耐毒化/抗燒結(jié)能力，或降低Pt載量和成本。*優(yōu)化催化劑層結(jié)構(gòu)：通過先進(jìn)制備技術(shù)（如原子層沉積、靜電紡絲、浸涂）制備薄、均一、高活性面積的CL，改善傳質(zhì)。*抑制積碳：優(yōu)化陽極材料和結(jié)構(gòu)，開發(fā)抗積碳的催化劑。*改進(jìn)電解質(zhì)膜：開發(fā)低滲透性、高離子電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜（如全固態(tài)膜、納米復(fù)合膜）。*優(yōu)化GDL和雙極板：使用混合功能氣體擴(kuò)散層（兼顧導(dǎo)電和疏水性），開發(fā)低成本、高導(dǎo)電的雙極板材料（如石墨烯、金屬基雙極板）。*提高反應(yīng)氣純度：開發(fā)高效、低成本的CO2和H2分離與純化技術(shù)。*優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理：改進(jìn)水熱管理策略，優(yōu)化電堆流場(chǎng)設(shè)計(jì)，開發(fā)智能電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行精確的熱、濕、壓管理。七、應(yīng)用化學(xué)在未來能源解決方案中扮演著至關(guān)重要的角色。*核心作用：*新材料研發(fā)：設(shè)計(jì)和合成高效、低成本、環(huán)境友好的能源材料是關(guān)鍵。例如，開發(fā)更高能量密度和更長(zhǎng)壽命的電池材料（正極、負(fù)極、電解質(zhì)）、更高效的光催化劑、更穩(wěn)定和廉價(jià)的燃料電池催化劑、先進(jìn)的光伏材料、儲(chǔ)能材料（固態(tài)電池、液流電池）、熱電材料、以及用于碳捕獲和利用的新型吸附材料或轉(zhuǎn)化催化劑。*基礎(chǔ)理論研究：深入理解能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的物理化學(xué)機(jī)制（如電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、界面化學(xué)、光生電荷分離與傳輸、材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系），為技術(shù)突破提供理論指導(dǎo)。*催化劑設(shè)計(jì)與開發(fā)：提高能量轉(zhuǎn)換過程（如水電解制氫、CO2轉(zhuǎn)化、燃料電池反應(yīng)、光合作用模擬）的催化劑活性和選擇性，降低能耗，是提升效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。*過程化學(xué)與工程：將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模、高效、環(huán)保的工業(yè)化生產(chǎn)過程，涉及反應(yīng)工程、分離工程、綠色化學(xué)合成路線設(shè)計(jì)等。*未來研究方向及其潛在應(yīng)用價(jià)值（示例）：*研究方向：基于金屬有機(jī)框架（MOFs）或共價(jià)有機(jī)框架（COFs）設(shè)計(jì)的新型多級(jí)孔結(jié)構(gòu)電催化劑，用于高效電化學(xué)水分解。*潛力：MOFs/COFs具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)的孔道結(jié)構(gòu)、可調(diào)的電子性質(zhì)和豐富的活性位點(diǎn)。通過理性設(shè)計(jì)，有望構(gòu)建出具有高比