2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——新型催化劑對能源轉化的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填涂在答題卡相應位置。）1.下列哪一項不屬于通常所指的“新型催化劑”的特征？A.納米尺寸B.多相催化活性C.具有高原子利用率D.設計合成具有特定功能結構2.在電催化水分解制氫過程中，若要提高析氫反應（HER）的過電位，通常意味著：A.催化劑本征活性降低B.氫吸附自由能（ΔG_ad）增大C.催化劑表面形成了穩(wěn)定的氧化物層D.電解液pH值顯著降低3.下列哪種表征技術最適合用于原位觀察催化劑表面在反應條件下的結構變化？A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.原位拉曼光譜D.比表面積與孔徑分析（BET）4.設計一種用于二氧化碳還原反應（CO?RR）的新型催化劑時，優(yōu)先考慮將其活性位點置于：A.催化劑顆粒的內部B.催化劑顆粒的表面C.載體材料的內部D.催化劑與載體的界面處5.下列關于固體酸催化劑的描述，錯誤的是：A.可以提供質子（H?）或具有接受電子對的能力B.常用于小分子有機化合物的脫水、脫氫反應C.其酸強度通常由布朗斯特酸度（H?）或路易斯酸度來衡量D.固體超強酸（如SO?/H-ZSM-5）的酸性一定比100%純硫酸強6.金屬有機框架（MOFs）材料作為催化劑或催化劑載體，其主要優(yōu)勢之一是：A.通常具有極高的化學穩(wěn)定性B.本征催化活性通常很高C.具有極高的比表面積和可調的孔道結構D.合成方法簡單且成本低廉7.在設計用于質子交換膜燃料電池（PEMFC）的氧還原反應（ORR）催化劑時，希望其具有：A.高過電位和低交換電流密度B.高過電位和高交換電流密度C.低過電位和低交換電流密度D.低過電位和高交換電流密度8.下列哪種方法通常不用于制備納米尺度的新型催化劑？A.水熱/溶劑熱法B.微波輔助合成法C.傳統(tǒng)高溫固相反應法D.原位生長法9.對于用于生物質催化轉化的催化劑，評價其“抗毒化”能力主要關注的是：A.催化劑在高溫下的穩(wěn)定性B.催化劑對反應中間體或副產物中毒的耐受能力C.催化劑在強酸強堿環(huán)境下的活性保持能力D.催化劑表面活性位點數量的變化速率10.下列哪種能源轉化過程主要利用光能驅動，并常常涉及催化劑促進光生載流子的分離或轉化？A.燃料電池B.電解水制氫C.光伏發(fā)電D.光催化水分解制氫二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上。）1.催化劑能夠改變化學反應的__________，但不能改變反應的__________和__________。2.在設計高效電催化劑時，除了關注本征活性外，還需考慮其__________、__________、__________和穩(wěn)定性。3.基于密度泛函理論（DFT）計算，可以預測催化劑表面吸附物的__________和催化劑的__________，從而指導催化劑的設計。4.非均相催化反應中，活性位點通常位于催化劑的__________，反應物需要擴散到活性位點才能發(fā)生反應。5.通過調控金屬納米催化劑的__________（如尺寸、形貌、表面電子態(tài)），可以顯著影響其催化活性。6.固體超強酸如SO?/H-MCM-41，其酸性來源于骨架上的__________提供質子，或氧化態(tài)硫具有__________能力。7.用于CO?還原反應的催化劑，除了追求高CO產率外，還需關注其產物選擇性，避免生成甲烷等副產物，這涉及到調控催化劑的__________和__________。8.原位表征技術如原位X射線吸收譜（XAS）和原位紅外光譜（IR）能夠提供催化劑在__________條件下結構和組成的實時信息。9.為了提高催化劑的實用壽命，除了提高本征活性外，還需關注其__________和__________。10.生物質催化轉化是利用可再生能源的重要途徑，例如通過催化劑實現__________、__________和__________等轉化。三、簡答題（每題5分，共15分。）1.簡述均相催化劑和非均相催化劑在反應機理研究方面的主要區(qū)別。2.簡述負載型催化劑中，載體對催化劑性能（如活性、選擇性、穩(wěn)定性）可能產生的主要影響。3.簡述“單原子催化劑”的概念及其在能源轉化應用中的潛在優(yōu)勢。四、論述題（每題10分，共20分。）1.論述設計用于析氫反應（HER）的高效堿性介質催化劑時，應考慮哪些關鍵因素？并舉例說明如何通過調控這些因素來提高催化劑性能。2.以CO?還原反應（CO?RR）為例，論述新型催化劑設計應如何平衡產物選擇性（如乙烯、乙二醇）與反應效率（電流密度）之間的關系，并簡述可能面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.D6.C7.D8.C9.B10.D二、填空題1.速率；熱力學平衡常數；反應熵變2.本征活性；穩(wěn)定性；抗毒化能力3.吸附能；本征反應能壘（或活化能）4.表面5.尺寸、形貌、表面電子態(tài)6.連接硫氧雙鍵；路易斯酸7.本征活性；反應路徑（或選擇性）8.反應（或工作）9.穩(wěn)定性；抗積碳/抗中毒能力10.糖類；脂類；木質素三、簡答題1.解析思路：均相催化反應發(fā)生在溶液或熔融物中，催化劑與反應物處于同一相，活性中心是均一的，通常為分子或離子。因此，反應機理通?？梢酝ㄟ^簡單的化學方程式描述，容易通過光譜學等手段研究活性物種。非均相催化反應發(fā)生在催化劑表面，催化劑與反應物處于不同相（通常是固液或固氣）。活性中心是催化劑表面的特定原子或位點。因此，反應機理涉及反應物在表面吸附、在表面進行化學轉化、產物脫附以及反應物/產物在固體內部的擴散等多個步驟，機理研究通常需要結合多種表征手段（如原位表征、譜學分析、理論計算）來追蹤表面物種和過程。2.解析思路：載體對負載型催化劑的影響是多方面的。主要包括：提供分散的活性位點（影響比表面積和分散度）；影響催化劑的電子結構（通過電子轉移效應）；影響催化劑的酸堿性（對酸堿催化）；影響催化劑的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性（可能發(fā)生燒結）；影響反應物/產物的擴散路徑（可能產生擴散限制）。這些因素共同決定了催化劑的綜合性能。3.解析思路：單原子催化劑是指將單個原子分散并錨定在載體表面或高表面積材料上的催化劑。其潛在優(yōu)勢在于：①原子級分散，提供了極高的本征活性位點密度；②所有活性位點化學環(huán)境均一，有利于理解構效關系；③避免了傳統(tǒng)納米顆粒中的晶界等非活性或低活性位點的影響；④可能具有更高的選擇性和穩(wěn)定性。四、論述題1.解析思路：設計HER催化劑需考慮：①活性：催化劑的本征電催化活性，通常用過電位或交換電流密度衡量，與吸附H?的強度（ΔG_adH?）密切相關。在堿性介質中，需要考慮OER的競爭。②選擇性：高選擇性指優(yōu)先生成H?，避免副反應（如析氧反應OER）。③穩(wěn)定性：包括化學穩(wěn)定性（抗腐蝕、抗燒結）和電化學穩(wěn)定性（抗溶解、抗鈍化）。④抗毒化能力：抵抗常見毒物（如CO?、有機污染物）的影響。⑤成本與制備可行性?？赏ㄟ^調控催化劑的組成（如貴金屬/非貴金屬）、結構（如納米結構、單原子）、形貌以及與載體的相互作用來優(yōu)化這些因素。例如，通過理論計算預測不同材料吸附H?/OH?的能壘，選擇能壘適中的材料；通過水熱法合成特定形貌的納米顆粒以提高活性位點和穩(wěn)定性；將活性金屬原子錨定在高表面積載體上以提高分散度和穩(wěn)定性。2.解析思路：CO?RR旨在將CO?轉化為高附加值的化學品（如CO,COH?,C?H?,C?H?OH等）。平衡產物選擇性與效率是一個核心挑戰(zhàn)。①高選擇性：通常需要設計具有特定電子結構或幾何構型的活性位點，以優(yōu)先吸附CO?并引導其沿特定的反應路徑進行轉化，從而生成目標產物。例如，設計富電子位點可能有利于C-C偶聯(lián)生成C?產物。②反應效率：高電流密度意味著單位時間內在電極上轉移的電子數多，即反應速率快，這通常需要高本征活性的催化劑。然而，過于追求高活性有時會犧牲選擇性，因為CO?分子與多種反應中間體可能具有相似的吸附