2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子材料在可再生能源中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在硅基太陽能電池中，為了提高光吸收效率，通常會采用多晶硅或非晶硅的原因主要是？A.降低生產(chǎn)成本B.增加帶隙寬度C.增加光程長度，吸收更多長波光D.提高載流子遷移率2.下列哪種材料是典型的鈣鈦礦太陽能電池的活性層材料？A.SiO2B.TiO2C.CH3NH3PbI3D.Ag3.鋰離子電池中，正極材料通常發(fā)生的是哪種類型的反應？A.氧化反應B.還原反應C.酸堿中和反應D.沉淀反應4.某種鋰離子電池正極材料具有橄欖石結構，其理論容量較高，通常是指？A.磷酸鐵鋰(LiFePO4)B.三元材料(LiNiCoMnO2)C.磷酸錳鋰(LiMn2O4)D.層狀氧化物(LiCoO2)5.超級電容器相比于傳統(tǒng)電池，其主要優(yōu)勢在于？A.能量密度高B.功率密度高，充放電速度快C.循環(huán)壽命長D.開放電路電壓高6.在光催化水分解制氫過程中，二氧化鈦(TiO2)的主要問題是？A.活性位點不足B.光響應范圍僅限于紫外光區(qū)C.易發(fā)生團聚D.成本過高7.下列哪種生物質資源通常不通過直接燃燒來利用其能量？A.農(nóng)作物秸稈B.木材C.甘油D.廢紙8.在生物質轉化為生物燃料的過程中，下列哪個步驟通常涉及酶的催化作用？A.熱解B.水解C.焚燒D.熔融9.提高太陽能電池效率的“肖克利-奎伊瑟極限”（Shockley-QueisserLimit）主要考慮了哪些因素的限制？A.材料帶隙寬度B.電池溫度C.反射損失和熱損失D.電極接觸電阻10.分子工程在設計高效分子材料時，主要關注的是？A.材料的宏觀制備工藝B.材料微觀結構、電子結構對功能的調(diào)控C.材料的長期儲存穩(wěn)定性D.材料的成本效益二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.太陽能電池的基本工作原理是利用太陽光的______能轉化為______能。2.儲能器件的循環(huán)壽命通常與其充放電過程中的______損失和______損失密切相關。3.水分解制氫的催化劑需要具備高______、高______和高______。4.生物質轉化成生物燃料或化學品的主要途徑包括______、______和發(fā)酵。5.鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)異性能之一是其具有較______的載流子遷移率。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述染料敏化太陽能電池（DSSC）的基本工作原理。2.簡述提高鋰離子電池能量密度的主要途徑。3.簡述分子篩在生物質催化轉化過程中的作用。4.簡述提高光催化劑可見光響應性的常見方法。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述鈣鈦礦太陽能電池相比傳統(tǒng)硅基太陽能電池的主要優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。2.論述鋰離子電池在安全性方面面臨的主要問題，并分析提高其安全性的材料或結構設計策略。3.論述分子工程思想如何指導設計新型高效的光電轉換材料或催化材料用于可再生能源領域，并舉例說明。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.A5.B6.B7.C8.B9.C10.B二、填空題1.光；電2.空間；容量3.活性；選擇性；穩(wěn)定性4.熱解；氣化5.高三、簡答題1.簡述染料敏化太陽能電池（DSSC）的基本工作原理。答：DSSC由透明導電基底、透明超薄二氧化鈦（TiO2）納米晶薄膜電極、染料敏化劑、電解質和對電極組成。其工作原理是：染料敏化劑吸收太陽光后發(fā)生電子激發(fā)，將電子注入到TiO2納米晶體的導帶，染料分子被氧化；電子通過外部電路到達對電極，參與電解質中的氧化還原反應（如I-/I3-）；同時，電解質中的氧化態(tài)物質（如I3-）遷移到染料表面，被還原，使染料恢復到初始狀態(tài)，完成一個光生電子的循環(huán)。2.簡述提高鋰離子電池能量密度的主要途徑。答：提高鋰離子電池能量密度的主要途徑包括：選擇具有更高理論容量的正極材料（如磷酸鐵鋰、富鋰材料、聚陰離子材料）；選擇具有更高比容量和更好體積能量的負極材料（如硅基負極材料）；優(yōu)化電極的微觀結構（如減小顆粒尺寸、增加比表面積、構建多孔結構）以縮短鋰離子擴散路徑；采用合適的電解液和電極界面處理技術以降低內(nèi)阻。3.簡述分子篩在生物質催化轉化過程中的作用。答：分子篩是一類具有精確孔徑分布的鋁硅酸鹽或沸石材料，在生物質催化轉化過程中主要起到以下作用：提供均一的微反應場所，限制反應物分子尺寸，提高反應選擇性；通過其酸性位點催化生物質降解、脫水、異構化等反應；作為固體酸催化劑，避免液體酸催化劑帶來的分離和環(huán)境污染問題；提高催化反應的效率。4.簡述提高光催化劑可見光響應性的常見方法。答：提高光催化劑可見光響應性的常見方法包括：貴金屬沉積（如Au,Pt負載）：利用貴金屬的等離子體效應拓寬光吸收范圍或提高電荷分離效率；半導體復合：構建異質結結構，利用內(nèi)建電場促進電荷分離，擴展光響應范圍；元素摻雜：引入雜質元素改變半導體的能帶結構，將其吸收邊紅移至可見光區(qū)；表面改性：通過表面修飾改變能帶結構或表面態(tài)，增強可見光吸收和電荷產(chǎn)生。四、論述題1.論述鈣鈦礦太陽能電池相比傳統(tǒng)硅基太陽能電池的主要優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。答：主要優(yōu)勢：①能量轉換效率高，實驗室認證效率已接近單晶硅電池；②制備工藝相對簡單、成本較低，可采用溶液法制備薄膜；③可溶液加工，易于實現(xiàn)大面積、柔性、輕質化器件。挑戰(zhàn)：①熱穩(wěn)定性差，易在高溫下分解；②長期穩(wěn)定性有待提高，鈣鈦礦材料易與水、氧反應；③鉛毒性問題；④大面積制備均勻性控制困難。未來發(fā)展方向：①開發(fā)穩(wěn)定性好的鈣鈦礦材料（如鹵素互替、有機基鈣鈦礦）；②研究混合鈣鈦礦（如SPS鈣鈦礦）以提高穩(wěn)定性；③優(yōu)化器件結構（如疊層電池）以進一步提升效率；④探索無鉛鈣鈦礦材料體系；⑤開發(fā)綠色、低成本的制備工藝。2.論述鋰離子電池在安全性方面面臨的主要問題，并分析提高其安全性的材料或結構設計策略。答：主要問題：①內(nèi)部短路：過充、針刺、碰撞等外界因素可能導致電極片內(nèi)部發(fā)生短路，產(chǎn)生巨大熱量，引發(fā)熱失控；②熱失控：短路產(chǎn)生的高溫會導致電解液分解、氣化，產(chǎn)生高壓，可能引起電池爆炸；③隔膜熔融：高溫下聚合物隔膜可能熔融收縮，導致電解液直接接觸電極，加速短路；④鋰枝晶生長：在過充或循環(huán)過程中，鋰枝晶可能穿透隔膜，造成內(nèi)部短路。提高安全性的策略：①材料方面：選用高安全電壓的電解液，開發(fā)不易燃或固態(tài)電解質（如鋰金屬電池中的固態(tài)電解質）；選用結構穩(wěn)定、不易膨脹的電極材料（如硅基負極的改性）；選用耐高溫、熱穩(wěn)定性好的隔膜；開發(fā)不易形成鋰枝晶的負極材料或電解液添加劑；②結構設計方面：采用卷繞結構以增加電池柔韌性，減少應力集中；優(yōu)化電極厚度和電芯設計，降低內(nèi)阻；設置安全閥或壓力傳感器，在壓力過高時泄壓或報警；進行嚴格的電池管理系統(tǒng)（BMS）設計，實時監(jiān)控電壓、電流、溫度，及時進行過充、過放、過溫保護。3.論述分子工程思想如何指導設計新型高效的光電轉換材料或催化材料用于可再生能源領域，并舉例說明。答：分子工程思想強調(diào)從分子層面出發(fā)，通過精確設計、合成和組裝具有特定結構和功能的分子或超分子體系，以實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。在可再生能源領域，其指導設計新型高效材料主要體現(xiàn)在：①結構-性能關系研究：通過理論計算和實驗驗證，明確材料的微觀結構（如分子組成、空間排布、電子結構）與其光電轉換效率或催化活性、選擇性之間的關系；②功能導向設計：根據(jù)目標應用（如特定波長光吸收、特定反應催化），設計具有相應功能的分子結構，如引入特定的發(fā)色團以拓寬光吸收范圍，設計具有特定活性位點或電子結構的分子作為催化劑；③模塊化設計：將具有不同功能的分子單元（如光敏單元、電子傳輸單元、催化單元）通過化學鍵合或非共價鍵作用組裝在一起，構建多功能一體化材料；④精準合成與控制：利用先進的合成技術（如可控聚合、自組裝技術），精確控制材料的分子尺寸、形貌、孔隙結構和表面性質。舉例：設計新型鈣鈦礦材料，