2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在功能性材料研究中的應(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.下列哪種材料通常利用其優(yōu)異的光吸收和電荷分離能力來實(shí)現(xiàn)光催化降解污染物？A.優(yōu)良的導(dǎo)電金屬B.磁性材料C.具有合適能帶的半導(dǎo)體光催化劑D.生物活性材料2.在制備納米尺寸的功能性材料時(shí)，使用溶劑熱法相比常規(guī)溶液法的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.成本更低B.更容易獲得單晶C.能在較高溫度和壓力下合成，有助于控制粒徑和形貌D.操作步驟更簡單3.用于表征材料晶體結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)是？A.紫外-可見光譜（UV-Vis）B.原子力顯微鏡（AFM）C.X射線衍射（XRD）D.紅外光譜（IR）4.設(shè)計(jì)一種用于鋰離子電池的正極材料，從化學(xué)原理角度看，通常需要考慮以下哪些關(guān)鍵因素？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.材料具有較高的電導(dǎo)率B.材料具有合適的氧化還原電位和較大的電壓平臺(tái)C.材料在充放電過程中具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性D.材料必須廉價(jià)易得5.能夠在外界刺激（如光、熱、pH、電場、磁場等）下發(fā)生可逆宏觀響應(yīng)的材料被稱為？A.金屬導(dǎo)體B.絕緣體C.智能響應(yīng)性材料D.催化材料6.在水熱合成中，維持較高的溫度和壓力的主要目的是？A.提高反應(yīng)速率B.防止溶劑揮發(fā)C.促進(jìn)前驅(qū)體溶解和成核，獲得特定晶相或形貌D.降低反應(yīng)能耗7.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料的？A.化學(xué)鍵合狀態(tài)和元素組成B.晶體結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸C.表面形貌和粗糙度D.透光率和吸收光譜8.為了提高某種半導(dǎo)體光催化劑的光催化活性，通常會(huì)采取哪些化學(xué)方法？（請(qǐng)選擇兩個(gè)）A.對(duì)材料進(jìn)行表面改性以拓寬光響應(yīng)范圍B.制備復(fù)合材料以提高電子-空穴對(duì)分離效率C.降低材料的制備成本D.增大材料的比表面積以增加吸附位點(diǎn)9.下列哪種材料通常利用其能夠吸附和選擇性地結(jié)合特定分子（如離子、小分子、生物分子）的性質(zhì)？A.導(dǎo)電聚合物B.具有高表面能的無機(jī)吸附劑（如活性炭、硅膠）C.金屬超導(dǎo)材料D.光學(xué)晶體10.從熱力學(xué)角度看，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，主要取決于？A.反應(yīng)速率的快慢B.反應(yīng)物和生成物的濃度C.反應(yīng)體系的吉布斯自由能變（ΔG）D.反應(yīng)活化能的大小二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.功能性材料通常指具有______、______或______等特定功能的材料。2.合成具有特定微觀結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、薄膜）的功能性材料是應(yīng)用化學(xué)的重要任務(wù)之一，這通常需要精細(xì)調(diào)控______、______和______等因素。3.表征功能性材料的性質(zhì)時(shí)，選擇合適的表征技術(shù)至關(guān)重要。例如，要研究材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)，常用的技術(shù)是______；要研究材料的表面元素組成和化學(xué)態(tài)，常用的技術(shù)是______。4.催化材料在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其核心性能包括______、______和______。5.半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其導(dǎo)電性主要隨______的變化而顯著改變。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述溶液法（如沉淀法、溶膠-凝膠法）在合成無機(jī)功能材料時(shí)的一般步驟和原理。2.解釋什么是材料的“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”，并舉例說明如何通過改變材料的微觀結(jié)構(gòu)（如尺寸、形貌）來調(diào)控其功能。3.闡述電化學(xué)方法（如電沉積、電化學(xué)氧化還原）在制備或改性功能性材料中的應(yīng)用原理。四、論述題（10分）結(jié)合具體的化學(xué)原理（如元素化學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等），論述如何設(shè)計(jì)一種新型的、具有特定光電轉(zhuǎn)換功能（如高效光催化水分解制氫）的功能性半導(dǎo)體材料。在設(shè)計(jì)中需要考慮哪些關(guān)鍵因素？如何利用化學(xué)合成手段來調(diào)控這些因素以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能？---試卷答案一、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.C*解析思路：光催化降解污染物利用的是半導(dǎo)體材料的光能吸收能力，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，進(jìn)而參與化學(xué)反應(yīng)。A選項(xiàng)金屬導(dǎo)電性好但光吸收弱；B選項(xiàng)磁性材料與光催化降解無直接主要關(guān)聯(lián)；C選項(xiàng)半導(dǎo)體具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，能有效吸收光能并產(chǎn)生電荷載流子，是光催化劑的核心；D選項(xiàng)生物活性材料側(cè)重生物學(xué)功能。2.C*解析思路：溶劑熱法能在高溫高壓的密閉容器中進(jìn)行，這有利于溶解度差的物質(zhì)溶解、成核，并能有效抑制晶體的團(tuán)聚，從而更好地控制材料的粒徑、形貌和晶相，這是其相比常規(guī)溶液法的主要優(yōu)勢(shì)。A成本、D操作簡單并非其主要特點(diǎn)；B獲得單晶是可能的結(jié)果之一，但不是相比常規(guī)方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，且通常難以完全避免多晶；C是溶劑熱法最核心的優(yōu)勢(shì)之一。3.C*解析思路：X射線衍射（XRD）是利用X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來分析物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)（如晶格常數(shù)、晶粒尺寸、相組成）的經(jīng)典且主要的技術(shù)。AUV-Vis主要分析吸收光譜；BAFM主要分析表面形貌；D紅外光譜主要分析化學(xué)鍵和官能團(tuán)。4.A,C*解析思路：設(shè)計(jì)鋰離子電池正極材料需滿足：A高電導(dǎo)率確保電子快速通過，提高倍率性能和循環(huán)壽命；C結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性確保材料在充放電過程中能保持穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，避免粉化或容量衰減。B合適的氧化還原電位和電壓平臺(tái)決定了電池的工作電壓和能量密度，也很重要；D廉價(jià)易得是理想情況，但往往需要優(yōu)先保證性能。5.C*解析思路：能夠?qū)ν饨绱碳ぷ龀隹赡婧暧^響應(yīng)的材料定義即為智能響應(yīng)性材料。A金屬導(dǎo)體主要功能是導(dǎo)電；B絕緣體不導(dǎo)電；C符合智能響應(yīng)性材料的定義；D催化材料主要功能是加速化學(xué)反應(yīng)。6.C*解析思路：水熱合成在高溫高壓的溶劑環(huán)境中進(jìn)行，其主要目的在于利用高壓提高溶劑的沸點(diǎn)，從而能在較高溫度下進(jìn)行合成，同時(shí)高溫高壓有利于前驅(qū)體的溶解、傳質(zhì)，促進(jìn)成核過程，并有助于獲得特定晶相、形貌或均勻的分散狀態(tài)。A提高反應(yīng)速率是結(jié)果之一；B防止揮發(fā)是高壓作用的結(jié)果；D降低能耗并非主要目的。7.A*解析思路：X射線光電子能譜（XPS）利用X射線照射樣品，分析逸出的光電子的能量分布，從而獲得樣品表面（通常幾納米深度）的元素組成、化學(xué)態(tài)（即元素以何種化學(xué)鍵存在）信息。BXRD用于晶體結(jié)構(gòu)；CAFM用于表面形貌；DUV-Vis用于吸收光譜。8.A,B*解析思路：提高光催化活性通常需要：A拓寬光響應(yīng)范圍，讓材料能吸收更廣泛波長（更低能量）的光；B制備復(fù)合材料（如半導(dǎo)體-半導(dǎo)體、半導(dǎo)體-載體），有助于抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高量子效率。C降低成本是經(jīng)濟(jì)性要求；D增大比表面積有助于吸附，但若導(dǎo)致活性位點(diǎn)濃度降低，可能不增反降活性。9.B*解析思路：具有高表面能的無機(jī)吸附劑（如活性炭、硅膠、沸石等）具有巨大的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，能夠提供大量的吸附位點(diǎn)，選擇性地吸附氣體或溶液中的特定分子。A導(dǎo)電聚合物主要功能是導(dǎo)電；C金屬超導(dǎo)材料主要功能是零電阻和完全抗磁性；D光學(xué)晶體主要功能是光學(xué)特性。10.C*解析思路：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，判斷反應(yīng)自發(fā)性的依據(jù)是吉布斯自由能變（ΔG）。ΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；ΔG>0，反應(yīng)非自發(fā)；ΔG=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。A反應(yīng)速率是動(dòng)力學(xué)概念；B濃度影響ΔG和反應(yīng)平衡，但不是決定自發(fā)性的根本依據(jù)；D活化能是決定反應(yīng)速率快慢的關(guān)鍵因素。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)*解析思路：功能性材料的核心在于其具有超越普通材料的特定功能，這些功能主要包括光學(xué)（如發(fā)光、吸收、反射）、電學(xué)（如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、壓電）、磁學(xué)（如磁性、磁阻）等方面。2.化學(xué)組成、反應(yīng)條件（溫度、壓力、溶劑等）、合成路徑（方法）*解析思路：材料的微觀結(jié)構(gòu)（尺寸、形貌、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等）對(duì)其宏觀性能有決定性影響，而這些微觀結(jié)構(gòu)是在材料合成過程中由其化學(xué)組成、所處的反應(yīng)條件（溫度、壓力、溶劑等）以及所選擇的合成路徑（如沉淀、溶膠-凝膠、水熱等）共同決定的，因此需要精細(xì)調(diào)控這些因素。3.比表面積與孔隙率測(cè)定（BET）、X射線光電子能譜（XPS）*解析思路：表征比表面積和孔結(jié)構(gòu)常用氮?dú)馕?脫附等溫線測(cè)試，依據(jù)是BET理論；表征表面元素組成和化學(xué)態(tài)常用X射線光電子能譜（XPS）。其他如SEM、TEM可看表面形貌，XRD可看晶體結(jié)構(gòu)。4.選擇性、活性（或催化效率）、穩(wěn)定性*解析思路：催化劑的關(guān)鍵性能包括：A選擇性，指催化劑能選擇性催化目標(biāo)反應(yīng)，減少副產(chǎn)物；B活性（或催化效率），指反應(yīng)速率快慢；C穩(wěn)定性，指催化劑在多次循環(huán)使用或苛刻條件下結(jié)構(gòu)、性能保持不變。5.溫度（或能帶結(jié)構(gòu)/價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底的位置）*解析思路：半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性隨溫度升高而增加，這是由于熱激發(fā)使得更多電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生導(dǎo)電電子和空穴。從能帶理論看，這是電子跨越禁帶寬度（ΔEg），從滿填的價(jià)帶（VB）進(jìn)入空的導(dǎo)帶（CB）的結(jié)果。因此，溫度或能帶結(jié)構(gòu)是決定半導(dǎo)體導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素。三、簡答題（每題5分，共15分）1.溶液法合成無機(jī)功能材料通常包括以下步驟：首先，將原料（如金屬鹽、氧化物、氫氧化物等）溶解在適當(dāng)?shù)娜軇ㄍǔＪ撬┲?，形成均勻的溶液或溶膠；然后，通過改變條件（如加入沉淀劑、調(diào)節(jié)pH、改變溫度、蒸發(fā)溶劑等），使溶液中的離子或分子發(fā)生化學(xué)變化（如沉淀、水解、脫水縮合等），形成固相前驅(qū)體；最后，對(duì)所得固相前驅(qū)體進(jìn)行熱處理（如干燥、煅燒），去除有機(jī)物或使前驅(qū)體相變、晶化，最終得到目標(biāo)功能性材料粉末。其原理是利用溶液中的高度分散狀態(tài)，均勻混合反應(yīng)物，易于控制反應(yīng)過程和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。2.材料的“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”是指材料的宏觀性能（如力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化活性等）與其微觀結(jié)構(gòu)（如晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、相組成、缺陷、表面形貌、化學(xué)組成梯度等）之間存在內(nèi)在的、確定的聯(lián)系。通過改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控其宏觀性能。例如，要提高材料的力學(xué)強(qiáng)度，可以減小晶粒尺寸（利用Hall-Petch關(guān)系）；要提高材料的電導(dǎo)率，可以減小晶粒尺寸、增加晶界或引入合適的缺陷作為導(dǎo)電通道；要提高材料的催化活性，可以增大比表面積（提供更多活性位點(diǎn)）、調(diào)控表面缺陷（暴露活性中心）；要改變材料的光學(xué)性能（如顏色），可以改變其晶體結(jié)構(gòu)或引入摻雜元素。3.電化學(xué)方法在制備或改性功能性材料中的應(yīng)用原理主要是利用電極與電解液之間的電化學(xué)作用（氧化還原反應(yīng)、電沉積、電化學(xué)吸附等）來控制材料的形成過程或改變其表面/界面性質(zhì)。例如，電沉積法可以在基材表面沉積一層金屬或合金薄膜，通過控制電解液成分、電位、電流密度等電化學(xué)參數(shù)，可以精確調(diào)控沉積層的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、厚度和均勻性，從而獲得具有特定性能（如耐磨、防腐、催化活性）的功能薄膜。電化學(xué)氧化還原則可以用于材料的表面改性，如在電極表面引入官能團(tuán)、改變表面電荷狀態(tài)、形成氧化/還原產(chǎn)物層等，以增強(qiáng)材料的吸附能力、生物相容性或電化學(xué)性能。四、論述題（10分）設(shè)計(jì)一種新型高效光催化水分解制氫半導(dǎo)體材料，需綜合考慮以下化學(xué)原理和因素：1.能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：核心是選擇或設(shè)計(jì)具有合適能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。理想材料的禁帶寬度（Eg）應(yīng)適中（通常在1.0-3.0eV之間），既能讓可見光有效激發(fā)，又能產(chǎn)生足夠的能量用于水分解反應(yīng)（O-H鍵斷裂，需要約4.5eV）。同時(shí)，材料的價(jià)帶頂（VB）應(yīng)高于氧的還原電位（+0.827VvsRHE），導(dǎo)帶底（CB）應(yīng)低于氫的析出電位（0VvsRHE），以確保光生電子能還原水生成H?，光生空穴能氧化水或溶解氧生成O?。化學(xué)原理上，需要通過元素?fù)诫s（如N,S,F等非金屬摻雜或過渡金屬摻雜）或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)（如半導(dǎo)體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)）來調(diào)控能帶位置。2.光吸收性能拓寬：單純依賴可見光吸收往往效率不高。需要通過化學(xué)方法拓寬材料的光譜響應(yīng)范圍。途徑包括：元素?fù)诫s（引入雜質(zhì)能級(jí)，如N摻雜可在可見光區(qū)引入吸收峰，S摻雜可產(chǎn)生藍(lán)移并增加可見光吸收），形成能帶彎曲的異質(zhì)結(jié)（利用不同帶隙材料的價(jià)帶或?qū)Р睿崭鼜V泛波長的光），或構(gòu)建介孔/多級(jí)結(jié)構(gòu)（增加光程，提高光捕獲效率）。這涉及到對(duì)元素電子結(jié)構(gòu)的理解和調(diào)控。3.光生載流子產(chǎn)生與分離效率：水分解效率取決于光生電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生數(shù)量及其復(fù)合率。需要選擇具有高光量子效率的材料。同時(shí)，必須有效抑制電子和空穴的復(fù)合?；瘜W(xué)合成策略上，可以通過制備具有小尺寸效應(yīng)（量子限域效應(yīng)）、表面缺陷（提供復(fù)合陷阱）、或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)/復(fù)合材料（形成內(nèi)建電場促進(jìn)分離）來提高載流子分離效率。例如，制備核殼結(jié)構(gòu)（如CdS/CdSe），利用