2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電化學(xué)在能源轉(zhuǎn)化中的應(yīng)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括號內(nèi)）1.在電化學(xué)體系中，構(gòu)成電極并發(fā)生氧化或還原反應(yīng)的相是（）。A.電解質(zhì)溶液B.電極本身C.導(dǎo)電鹽橋D.連接導(dǎo)線2.根據(jù)能斯特方程，當(dāng)電池反應(yīng)中參與反應(yīng)的氣體摩爾數(shù)變化時，其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（）。A.會隨之改變B.不變C.與氣體分壓有關(guān)，但與摩爾數(shù)無關(guān)D.與反應(yīng)物濃度有關(guān)3.電極極化曲線偏離平衡電勢的主要原因是（）。A.電解質(zhì)導(dǎo)電性差B.存在濃差極化C.存在活化極化D.電阻過大4.氫氧燃料電池中，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是（）。A.O?+4H?+4e?→2H?OB.H?→2H?+2e?C.2H?+O?→2H?O+4e?D.2H?O+4e?→4OH?+O?↑5.與傳統(tǒng)硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池的主要優(yōu)勢之一是（）。A.開啟電壓高B.長期穩(wěn)定性好C.制造工藝簡單、成本低D.光譜響應(yīng)范圍窄6.電化學(xué)儲能器件中，超級電容器相比傳統(tǒng)電化學(xué)電池的主要特點是（）。A.能量密度高B.功率密度高C.循環(huán)壽命短D.電壓平臺寬7.電解熔融氯化鈉制備金屬鈉和氯氣時，陽極發(fā)生的反應(yīng)是（）。A.Na?+e?→NaB.Cl?→?Cl?+e?C.2Na→2Na?+2e?D.2Cl?→Cl?+2e?8.在電化學(xué)阻抗譜（EIS）中，半圓弧部分通常對應(yīng)于（）。A.電極/溶液界面電荷轉(zhuǎn)移過程B.電解質(zhì)溶液的歐姆電阻C.電極體的體相電阻D.擴(kuò)散過程9.提高燃料電池性能的關(guān)鍵因素之一是（）。A.降低電池內(nèi)阻B.提高反應(yīng)物利用率C.增加電極催化活性D.以上都是10.電化學(xué)傳感器的基本工作原理是利用被測物質(zhì)引起電化學(xué)信號（如電極電勢、電流）的變化來進(jìn)行檢測。（）A.正確B.錯誤二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.電解池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為________，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為________。2.電極反應(yīng)的能斯特方程描述了非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電極電勢與________、________及溫度的關(guān)系。3.燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為________的裝置，主要包括陽極、陰極和________三個部分。4.太陽能電池的基本工作原理是利用光伏效應(yīng)，將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為________能，核心器件是________。5.電解水制氫過程中，常用的陽極材料（如PTFE涂覆碳棒）應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，以耐腐蝕________和________。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述濃差極化產(chǎn)生的原因及其對電極過程的影響。2.比較燃料電池和普通電池在能量轉(zhuǎn)換方式、效率和工作條件方面的主要區(qū)別。3.簡述提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要途徑。4.電化學(xué)阻抗譜（EIS）在研究儲能器件（如電化學(xué)電池）性能時有哪些主要應(yīng)用？四、計算題（共20分）1.(10分)已知在25℃時，鋅鋅原電池（Zn|Zn2?||Cu2?|Cu）中，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢E°(Zn2?/Zn)=-0.76V，E°(Cu2?/Cu)=0.34V。計算該電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢E°。假設(shè)電池反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2，計算該電池的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變ΔG°(以kJ/mol為單位)。假設(shè)在反應(yīng)過程中，鋅電極消耗了0.1mol的鋅，計算理論上產(chǎn)生的電量為多少庫侖？2.(10分)電解某種鹽溶液，通電時間為200s，陽極產(chǎn)生氣體1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）。已知陽極發(fā)生的反應(yīng)為2A?-2e?→A?↑。若電解液的導(dǎo)電電流密度為10mA/cm2，電極表面積為5cm2，計算該鹽的摩爾濃度（假設(shè)電流效率為100%）。五、論述題（10分）結(jié)合電化學(xué)原理，論述提高燃料電池功率密度的主要方法及其面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.B7.D8.A9.D10.A二、填空題1.陽極,陰極2.濃度,氣體分壓3.電能,電解質(zhì)4.電,光伏電池5.氧化產(chǎn)物,陽極過電位三、簡答題1.解析思路：濃差極化是由于電極反應(yīng)導(dǎo)致電極表面反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度發(fā)生改變，進(jìn)而引起電極電勢偏離平衡電勢的現(xiàn)象。陽極反應(yīng)消耗反應(yīng)物導(dǎo)致表面濃度降低，陰極反應(yīng)消耗產(chǎn)物導(dǎo)致表面濃度降低。這種濃度差異會形成一個額外的電勢差，阻礙電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行（陽極區(qū)使陽極電勢變得更負(fù)，陰極區(qū)使陰極電勢變得更正），即偏離平衡電勢。影響程度與反應(yīng)物/產(chǎn)物擴(kuò)散速率有關(guān)。2.解析思路：燃料電池是電化學(xué)裝置，通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化化學(xué)能為電能，類似原電池；而普通電池（通常指化學(xué)電池）也通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化化學(xué)能為電能。主要區(qū)別在于：①能量轉(zhuǎn)換方式，燃料電池是“邊反應(yīng)邊發(fā)電”，普通電池是一次性化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；②效率，燃料電池理論效率高（可達(dá)80%以上），普通電池相對較低；③工作條件，燃料電池需持續(xù)供應(yīng)燃料和氧化劑，可在常溫常壓下工作（或稍高），普通電池通常一次性使用或充電使用；④組成，燃料電池需額外氣體供應(yīng)系統(tǒng)，普通電池自含反應(yīng)物。3.解析思路：提高光電轉(zhuǎn)換效率途徑：①提高開路電壓（優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)）；②增加短路電流密度（提高光吸收系數(shù)、增加有效吸收層厚度、優(yōu)化電極）；③拓寬光譜響應(yīng)范圍（使用寬譜吸收材料或覆蓋層）；④提高填充因子（優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，減少串聯(lián)和并聯(lián)電阻損失）；⑤提高器件穩(wěn)定性（改善封裝、材料穩(wěn)定性）。4.解析思路：EIS在儲能器件研究中的應(yīng)用：①定性研究：通過阻抗特征（半圓弧直徑、弛豫時間常數(shù)）識別器件內(nèi)部等效電路模型中的各個電阻、電容、Warburg元件對應(yīng)的物理過程（如SEI膜形成、電解液阻抗、電極電荷轉(zhuǎn)移、固態(tài)電解質(zhì)阻抗、擴(kuò)散過程等）；②定量分析：通過擬合阻抗數(shù)據(jù)，精確測定各部分的阻抗值，評估材料性能或界面狀態(tài)（如SEI膜電阻、阻抗隨循環(huán)次數(shù)的變化）；③性能評價：將阻抗與器件的倍率性能、循環(huán)壽命等關(guān)聯(lián)，研究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；④故障診斷：通過阻抗變化監(jiān)測器件老化或失效過程（如容量衰減、內(nèi)阻增大的早期信號）。四、計算題1.解析思路：*E°=E°(正極)-E°(負(fù)極)=E°(Cu2?/Cu)-E°(Zn2?/Zn)=0.34V-(-0.76V)=1.10V*ΔG°=-nFE°=-2mol×(96485C/mol)×1.10V=-212267J=-212.3kJ*電量Q=It=nF=0.1mol×96485C/mol=9648.5C2.解析思路：*總庫侖數(shù)Q=I×t=(10mA/cm2×5cm2)×200s=10000C*1molA?→1mol電子，生成0.5molA?。0.5molA?在標(biāo)況下體積V=0.5mol×22.4L/mol=11.2L。*陽極反應(yīng)2A?-2e?→A?↑，產(chǎn)生1molA?轉(zhuǎn)移2mol電子。*產(chǎn)生11.2LA?對應(yīng)2mol電子?？値靵鰯?shù)10000C對應(yīng)A?的物質(zhì)的量n(A?)。*n(A?)=(10000C/96485C/mol)×(2molA?/2mole?)=0.1036mol*摩爾濃度C(A?)=n(A?)/V=0.1036mol/V(V為溶液體積，題目未給，若假設(shè)體積為1L，則C=0.1036M，但通常題目會隱含體積或需自行設(shè)定，此處按標(biāo)準(zhǔn)計算過程)*若題目意圖是求電極反應(yīng)涉及的總物質(zhì)量，則結(jié)果為0.1036mol。若需具體濃度需補充體積信息。五、論述題解析思路：提高功率密度方法：功率密度P=V/R，其中V是電池電壓，R是電池內(nèi)阻（包括歐姆電阻、極化電阻）。提高功率密度主要從兩方面入手：1.提高電壓V：主要通過降低電池的過電位（活化過電位和濃差過電位）。這需要使用高效的催化劑（降低活化過電位），優(yōu)化反應(yīng)物/產(chǎn)物傳輸路徑（降低濃差過電位），以及改善電極結(jié)構(gòu)和材料（如增加電極表面積、縮短擴(kuò)散路徑）。例如，開發(fā)新型高活性電催化劑（如非貴金屬催化劑、單原子催化劑）、設(shè)計多孔電極、采用離子液體電解質(zhì)等。2.降低內(nèi)阻R：主要包括降低歐姆電阻和極化電阻。*降低歐姆電阻：減小電解質(zhì)電阻、使用離子電導(dǎo)率高的電解質(zhì)、減小電極厚度、優(yōu)化電極與集流體之間的接觸。*降低極化電阻：如前所述，通過高效催化劑降低活化過電位，通過傳質(zhì)優(yōu)化降低濃差過電位。面臨的挑戰(zhàn)：1.催化劑：高活性、高穩(wěn)定性、低成本、抗CO?中毒（燃料電池）的催化劑是長期挑戰(zhàn)。2.傳質(zhì)限制：在高電流密度下，反應(yīng)物