2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——應(yīng)用化學(xué)在能源領(lǐng)域的應(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)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于當(dāng)前全球主要能源消耗領(lǐng)域？A.工業(yè)生產(chǎn)B.交通運(yùn)輸C.城市照明D.太空探索2.在電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中，提升能量密度的主要途徑之一是增加電極材料的（）。A.體積比容量B.比表面積C.電導(dǎo)率D.穩(wěn)定性3.光伏發(fā)電的核心原理是利用半導(dǎo)體的（）效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。A.酸堿B.壓電C.光電D.嫡序4.下列哪種物質(zhì)通常被用作鋰離子電池的負(fù)極材料？A.LiFePO4B.LiCoO2C.人造石墨D.鈦酸鋰(Li4Ti5O12)5.催化水分解制氫氣過(guò)程中，提高催化劑選擇性的關(guān)鍵在于（）。A.降低反應(yīng)活化能B.提高反應(yīng)速率常數(shù)C.選擇性地活化H-O鍵D.增大催化劑的比表面積6.燃料電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極被稱(chēng)為（）。A.正極B.負(fù)極C.陽(yáng)極D.陰極7.下列哪種儲(chǔ)能方式主要利用相變材料吸收或釋放相變潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)？A.飛輪儲(chǔ)能B.電化學(xué)儲(chǔ)能C.抽水蓄能D.相變儲(chǔ)能8.生物質(zhì)能利用的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.生物質(zhì)資源分布不均B.生物質(zhì)的收集和運(yùn)輸成本高C.高效轉(zhuǎn)化技術(shù)的缺乏D.利用過(guò)程產(chǎn)生的二次污染嚴(yán)重9.在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，電解質(zhì)通常要求具有高離子電導(dǎo)率，尤其是在（）條件下。A.高溫低壓B.高溫高壓C.低溫低壓D.低溫高壓10.將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品或燃料，有助于緩解氣候變化，該過(guò)程屬于（）。A.化石燃料開(kāi)采B.化石燃料燃燒C.CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)D.生物質(zhì)燃燒二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線(xiàn)上）1.應(yīng)用化學(xué)在提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)揮著重要作用，例如通過(guò)____________或____________等方法改善太陽(yáng)能電池材料的光吸收特性。2.鋰離子電池的工作原理涉及鋰離子在正負(fù)極材料中的脫嵌，這一過(guò)程通常需要____________的參與和促進(jìn)。3.催化劑在能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色，其核心作用包括____________反應(yīng)速率和____________不必要的副反應(yīng)。4.氫燃料電池的產(chǎn)物是____________和____________，被認(rèn)為是一種非常清潔的能源轉(zhuǎn)換方式。5.為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)高效、低成本且環(huán)境友好的____________技術(shù)是當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述儲(chǔ)氫材料需要具備的基本性能。2.比較并說(shuō)明固體氧化物燃料電池（SOFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在工作溫度和電解質(zhì)類(lèi)型上的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)要解釋什么是光合作用，并說(shuō)明其在能源領(lǐng)域研究的意義。4.簡(jiǎn)述電催化在水分解制氫過(guò)程中的作用和面臨的挑戰(zhàn)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述應(yīng)用化學(xué)在提高鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性方面的主要研究方向和策略。2.結(jié)合所學(xué)知識(shí)，論述開(kāi)發(fā)高效且穩(wěn)定的光伏太陽(yáng)能電池材料所面臨的主要化學(xué)挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。3.選擇一種你感興趣的生物質(zhì)能利用技術(shù)（如生物燃料、生物電等），論述其在化學(xué)方面的基本原理、當(dāng)前研究進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.D2.A3.C4.C5.C6.C7.D8.C9.A10.C二、填空題1.能帶工程；表面修飾2.電解質(zhì)3.加快；抑制4.水；氫氣5.儲(chǔ)能三、簡(jiǎn)答題1.儲(chǔ)氫材料需要具備的基本性能：*高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度（單位質(zhì)量或單位體積的儲(chǔ)氫量要高）。*快速的吸放氫速率。*在適宜的溫度和壓力下吸放氫。*良好的循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。*安全性（不易燃、不易爆、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定）。*成本相對(duì)較低，資源豐富易得。2.比較并說(shuō)明固體氧化物燃料電池（SOFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在工作溫度和電解質(zhì)類(lèi)型上的主要區(qū)別：*工作溫度：SOFC的工作溫度通常較高（600-1000°C），而PEMFC的工作溫度較低（約80°C）。*電解質(zhì)類(lèi)型：SOFC使用固體氧化物作為電解質(zhì)，通常是離子導(dǎo)體（如YSZ，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯），在高溫下導(dǎo)電。PEMFC使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，在酸性環(huán)境下允許質(zhì)子（H+）傳導(dǎo)，工作溫度較低。3.簡(jiǎn)要解釋什么是光合作用，并說(shuō)明其在能源領(lǐng)域研究的意義：*解釋?zhuān)汗夂献饔檬蔷G色植物、藻類(lèi)和某些細(xì)菌利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物（如葡萄糖）并釋放氧氣的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程涉及光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段。*意義：光合作用是地球上最主要的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，它將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在有機(jī)物中。研究光合作用有助于理解自然界的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，為開(kāi)發(fā)人工光合作用系統(tǒng)、設(shè)計(jì)高效的光電轉(zhuǎn)換材料（如太陽(yáng)能電池）以及利用生物質(zhì)能等提供理論基礎(chǔ)和靈感，對(duì)解決能源和環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。4.簡(jiǎn)述電催化在水分解制氫過(guò)程中的作用和面臨的挑戰(zhàn)：*作用：電催化通過(guò)降低水分解反應(yīng)（2H2O→2H2+O2）的過(guò)電位，加速反應(yīng)速率，提高氫氣的產(chǎn)率。電催化劑通常分布在電極表面，促進(jìn)氫氧根離子或水分子的氧化以及質(zhì)子的還原，從而實(shí)現(xiàn)高效的氫氣制備。*挑戰(zhàn)：面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①提高陰極（析氧反應(yīng)）和陽(yáng)極（析氫反應(yīng)）的催化活性，以降低整體過(guò)電位；②提高催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐腐蝕性；③開(kāi)發(fā)廉價(jià)、豐富的非貴金屬催化劑；④建立高效的電極結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)。四、論述題1.論述應(yīng)用化學(xué)在提高鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性方面的主要研究方向和策略：*提高循環(huán)壽命：*正極材料改性：開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、脫嵌鋰電位更平穩(wěn)、容量衰減更小的正極材料（如高鎳層狀氧化物、富鋰材料、磷酸錳鐵鋰等）；通過(guò)表面包覆、晶格工程、摻雜等方法抑制正極材料在循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變和副反應(yīng)。*負(fù)極材料改性：開(kāi)發(fā)具有更高體積能量密度、更長(zhǎng)循環(huán)壽命且不易形成鋰枝晶的負(fù)極材料（如硅基負(fù)極、高容量合金負(fù)極）；通過(guò)納米化、復(fù)合、表面處理等改善負(fù)極的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。*電解液優(yōu)化：研發(fā)高電壓電解液、固態(tài)電解質(zhì)，使用功能性電解液添加劑（如成膜劑、導(dǎo)電劑、電壓調(diào)節(jié)劑）來(lái)穩(wěn)定界面相、降低界面阻抗、抑制副反應(yīng)。*隔膜改進(jìn)：提高隔膜的孔隙率、透氣性、安全性和離子透過(guò)性，防止短路和熱失控。*提高安全性：*材料選擇：選用熱穩(wěn)定性更好、不易燃的電極材料和電解液（如固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬負(fù)極的保護(hù)性涂層）。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：優(yōu)化電池包設(shè)計(jì)，增加散熱空間；采用柔性外殼；設(shè)計(jì)可靠的泄壓和過(guò)溫保護(hù)機(jī)制。*電解液添加劑：添加阻燃劑、成膜劑等，降低電解液的燃點(diǎn)，形成穩(wěn)定的SEI膜，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。*電池管理系統(tǒng)（BMS）：通過(guò)精確的電壓、電流、溫度監(jiān)控和均衡控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止異常狀態(tài)，預(yù)防熱失控。2.結(jié)合所學(xué)知識(shí)，論述開(kāi)發(fā)高效且穩(wěn)定的光伏太陽(yáng)能電池材料所面臨的主要化學(xué)挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案：*主要化學(xué)挑戰(zhàn)：*光吸收效率低：?jiǎn)螌影雽?dǎo)體材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收有限，需要寬光譜響應(yīng)。*光生載流子復(fù)合率高：光生電子和空穴在傳輸?shù)诫姌O之前容易重新結(jié)合而損失能量。*載流子傳輸/擴(kuò)散速率慢：載流子在材料內(nèi)的傳輸阻力大，影響電池的開(kāi)路電壓和短路電流。*材料穩(wěn)定性差：光伏器件在長(zhǎng)期光照、高溫、濕氣等環(huán)境下性能下降甚至失效。*成本高：高效光伏材料（如多晶硅、鈣鈦礦）的制備成本仍然較高，限制了大規(guī)模應(yīng)用。*薄膜材料的均勻性和大面積制備工藝復(fù)雜：如染料敏化太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等。*可能的解決方案：*多結(jié)/疊層結(jié)構(gòu)：通過(guò)堆疊不同帶隙的半導(dǎo)體材料，拓寬光譜吸收范圍，提高光利用率。*納米結(jié)構(gòu)與器件工程：設(shè)計(jì)納米晶、量子點(diǎn)、超薄層等結(jié)構(gòu)，增加光程，減少?gòu)?fù)合，提高載流子提取效率。*表面鈍化與缺陷工程：通過(guò)表面處理或摻雜，鈍化材料缺陷，減少非輻射復(fù)合中心，提高載流子壽命。*提高材料導(dǎo)電性：通過(guò)引入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)、表面修飾等手段，加快載流子傳輸和擴(kuò)散。*開(kāi)發(fā)穩(wěn)定材料與器件保護(hù)技術(shù)：研究耐光、耐濕、耐熱的材料（如鈣鈦礦的鈍化處理），設(shè)計(jì)有效的封裝結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)器件壽命。*降低成本與高效制備工藝：探索溶液法、印刷法、低溫制備等低成本、高效率的制備技術(shù)（如鈣鈦礦的可溶液加工）。*異質(zhì)結(jié)/雜化結(jié)構(gòu)：結(jié)合不同類(lèi)型的材料（如硅/鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)），優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高性能和穩(wěn)定性。3.選擇一種你感興趣的生物質(zhì)能利用技術(shù)（如生物燃料、生物電等），論述其在化學(xué)方面的基本原理、當(dāng)前研究進(jìn)展以及面臨的挑戰(zhàn)。*選擇：生物質(zhì)乙醇發(fā)酵制取生物燃料*基本原理：利用微生物（主要是酵母，如釀酒酵母）或酶作為催化劑，將生物質(zhì)（如玉米、sugarcane、纖維素等）中富含的多糖（如淀粉、纖維素）或糖類(lèi)（如葡萄糖、果糖）在厭氧或微氧條件下，經(jīng)過(guò)糖化（將纖維素等復(fù)雜糖類(lèi)轉(zhuǎn)化為單糖）和發(fā)酵兩個(gè)主要步驟，最終轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳?；瘜W(xué)反應(yīng)總式（以葡萄糖為例）：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2。這個(gè)過(guò)程涉及一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)，如糖苷水解酶將纖維素水解為葡萄糖，乙醇脫氫酶將乙醛還原為乙醇等。*當(dāng)前研究進(jìn)展：*提高糖化效率：開(kāi)發(fā)更高效、更耐用的纖維素酶（特別是纖維素酶復(fù)合酶），降低糖化成本，提高木質(zhì)纖維素原料（如秸稈、林業(yè)廢棄物）中糖的釋放率。*優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程：選育或基因改造高產(chǎn)乙醇酵母菌株，提高乙醇產(chǎn)量和耐受性（如耐高濃度乙醇、耐酸堿、耐抑制劑）；開(kāi)發(fā)新型發(fā)酵工藝（如分批補(bǔ)料、連續(xù)發(fā)酵、固態(tài)發(fā)酵），提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。*利用非糧原料：大力發(fā)展以纖維素、半纖維素為原料的生物質(zhì)乙醇技術(shù)（第二世代生物乙醇），減少對(duì)糧食作物的依賴(lài)。*集成生物化學(xué)工程：將酶工程、微生物工程與分離工程相結(jié)合，構(gòu)建高效的生物反應(yīng)器和整體工藝流程，實(shí)現(xiàn)乙醇的高效、低成本生產(chǎn)。*副產(chǎn)物利用：研究利用發(fā)酵過(guò)程中的副產(chǎn)物（如二氧化碳、甘油、木質(zhì)素等）制備高附加值產(chǎn)品，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。*面臨的挑戰(zhàn)：*原料成本高：生物質(zhì)收獲、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及纖維素/半纖維素糖化的成本仍然較高，是制約生物乙醇經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。*酶的成本與穩(wěn)定性：高效糖