2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——碳排放控制的化學解決方案考試時間：______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在括號內(nèi)）1.下列哪種溫室氣體在大氣中的壽命最長，對氣候變化的影響潛力最大？(A)CH4(B)N2O(C)CO2(D)O32.燃燒前碳捕集技術中，利用化學吸附劑選擇性吸附CO2，常使用的吸附劑類型是？(A)活性炭(B)金屬有機框架（MOF）(C)氧化鋁(D)氫氧化鈉溶液3.將CO2轉化為有用化學品的反應，其熱力學可行性通常取決于？(A)催化劑的價格(B)反應物的濃度(C)生成物的標準吉布斯自由能變（ΔG°）(D)反應的速率常數(shù)4.在直接空氣碳捕集（DAC）中，利用固體胺基材料吸收CO2，其脫附（再生）過程通常需要？(A)高溫加熱(B)低溫冷卻(C)氮氣吹掃(D)真空環(huán)境5.下列哪種燃料電池類型對CO2具有較高的耐受性，因為其電解質(zhì)對CO2化學惰性較好？(A)熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）(B)固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）(C)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）(D)固體酸燃料電池（SAFC）6.在CO2加氫制甲醇的反應中，為了提高CO2轉化率和甲醇選擇性，通常需要使用哪種類型的催化劑？(A)酸性催化劑(B)堿性催化劑(C)均相催化體系(D)多相固體酸催化劑7.將CO2轉化為碳酸鈣（干冰）的過程，其主要化學方程式是？(A)CO2+H2O→H2CO3(B)CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O(C)CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O(D)2CO2→2CO+O28.光伏電解水制氫過程中，涉及的關鍵電化學反應是？(A)2H++2e-→H2(B)2H2O+4e-→H2+2OH-(C)O2+4H++4e-→2H2O(D)2H2O→4H++4e-+O29.下列哪種生物質(zhì)轉化技術主要利用化學方法將生物質(zhì)中的糖類轉化為平臺化合物（如乙醇、乳酸）？(A)熱解(B)氣化(C)酶催化水解與發(fā)酵(D)直接燃燒10.評價一種碳捕集材料性能時，除了吸附容量，以下哪個指標最能反映其實際應用潛力？(A)吸附速率(B)選擇性(C)穩(wěn)定性（循環(huán)壽命）(D)成本二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.溫室效應的主要物理過程是地球表面向外輻射的長波輻射被大氣中的________吸收并重新輻射回地表。2.燃燒后碳捕集技術中，常用_______溶液吸收煙氣中的CO2。3.CO2轉化為甲烷（CO2變換反應）是一個_______反應（填吸熱或放熱）。4.催化劑在CO2化學利用過程中起著_______反應速率和/或提高選擇性（或降低活化能）的關鍵作用。5.直接空氣碳捕集（DAC）技術面臨的主要挑戰(zhàn)之一是捕集單元的_______效率較低。6.電化學儲能設備（如電池）的碳足跡與其材料選擇（如_______極材料）密切相關。7.生物質(zhì)氣化過程中，生物質(zhì)在缺氧或受限條件下熱解，產(chǎn)生包含CO、H2、CO2、CH4等氣體的_______混合氣體。8.化學鏈燃燒是一種將燃料與氧化劑在_______相互作用實現(xiàn)能量轉換和CO2分離的技術。9.為了提高CO2的化學轉化效率，研究者致力于開發(fā)具有高_______和長壽命的催化劑材料。10.碳捕集、利用與封存（CCUS）技術被視為當前及未來一段時間內(nèi)大規(guī)模削減_______排放的重要選項。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述化學吸附與物理吸附在碳捕集材料中的作用機理及主要區(qū)別。2.簡要說明CO2氣體的化學性質(zhì)，并列舉至少兩種其在工業(yè)上利用的化學途徑。3.闡述燃料電池中CO2可能產(chǎn)生負面影響的原因，并簡述一種應對策略。四、計算題（共15分）已知在某個CO2加氫制甲醇反應體系中，反應溫度為450°C（773K），標準壓力下。反應平衡常數(shù)Kp為2.1×10^-4。該反應為放熱反應，ΔH°=-90kJ/mol。假設反應物CO2和H2的初始分壓均為0.1MPa，忽略其他副反應。請計算：(1)該反應在平衡時的甲醇（CH3OH）分壓是多少？（假設反應前后氣體分子數(shù)變化為-1）(2)若要提高CO2轉化率，從化學平衡角度考慮，應采取什么措施？（請至少提出兩種）五、論述題（共30分）結合能源化學的專業(yè)知識，論述CO2資源化利用的意義、面臨的挑戰(zhàn)以及當前化學領域正在探索的主要技術路徑。請從至少三個方面進行論述，并分析不同技術路徑可能涉及的關鍵化學問題和解決方案。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：CO2在大氣中壽命長達百年以上，而CH4壽命約10年，N2O約百年至千年，O3壽命變化大。CO2的全球變暖潛能值（GWP）雖然不如CH4和N2O高，但其豐度高且壽命長，累積影響巨大，因此被認為是影響潛力最大的溫室氣體。2.B解析思路：化學吸附基于分子間作用力，具有選擇性高、吸附容量大的特點。金屬有機框架（MOF）材料具有豐富的孔道結構和可調(diào)變的活性位點，是近年來用于CO2化學吸附的熱門材料。活性炭主要靠物理吸附，氧化鋁吸附能力一般，氫氧化鈉溶液是溶液吸收法使用的吸收劑，但不是吸附劑本身。3.C解析思路：化學反應的熱力學可行性由標準吉布斯自由能變（ΔG°）判斷，ΔG°<0反應可行。ΔG°與反應的標準焓變（ΔH°）和標準熵變（ΔS°）有關，符合吉布斯自由能方程ΔG°=ΔH°-TΔS°。催化劑主要影響反應速率（動力學），不能改變反應的平衡常數(shù)（與ΔG°相關）。4.A解析思路：固體胺基材料吸收CO2形成氨基甲酸酯或氨基甲酸鹽，需要提供能量使這些化學鍵斷裂，釋放CO2，通常通過高溫加熱實現(xiàn)再生。5.B解析思路：SOFC使用固態(tài)電解質(zhì)（如YSZ），在高溫下（>600°C）運行，電解質(zhì)對CO2具有較好的化學惰性，且CO2在高溫下主要以分子形式存在，不易與電解質(zhì)發(fā)生副反應。PEMFC使用質(zhì)子交換膜，CO2易溶解并導致膜降解和性能下降。6.D解析思路：CO2加氫制甲醇是一個強放熱且具有立體障礙的反應，需要高效且高選擇性的催化劑。多相固體酸催化劑（如負載型硫酸鈰、離子液體等）能夠提供強酸性位點，同時具備一定的金屬特性，能有效促進CO2活化、氫解和甲醇脫水等關鍵步驟，提高轉化率和選擇性。7.C解析思路：該反應是CO2與氫氧化鈣（石灰水）反應生成碳酸鈣沉淀和水，這是CO2轉化為固體的經(jīng)典化學方程式，也是干冰（固態(tài)CO2）商業(yè)制備的基礎。8.B解析思路：水電解制氫涉及在陰極上還原水分子或氫離子，產(chǎn)生氫氣。方程式2H2O+4e-→2H2+4OH-描述了在堿性介質(zhì)中陰極發(fā)生的反應。其他選項分別代表陽極反應、電解水的總體反應或與光合作用相關。9.C解析思路：生物質(zhì)直接燃燒只是能量轉換，熱解和氣化產(chǎn)生的是燃氣，主要目的是產(chǎn)氣。而酶催化水解是將纖維素等復雜多糖分解為單糖（如葡萄糖），隨后發(fā)酵將葡萄糖轉化為乙醇或乳酸等平臺化合物，這個過程主要依賴生物化學和酶工程。10.C解析思路：碳捕集材料的吸附容量決定了單位質(zhì)量或體積材料能捕集的CO2量。然而，如果材料穩(wěn)定性差，在多次吸附-解吸循環(huán)或實際應用條件下（如高溫、濕度變化）結構崩潰或活性位點損失，則無法實現(xiàn)長期有效的捕集。因此，穩(wěn)定性是決定材料實際應用潛力的關鍵指標之一。二、填空題1.溫室氣體解析思路：溫室效應的核心是某些氣體（如CO2,CH4,N2O,HFCs等）吸收并重新輻射紅外線，導致地球能量失衡變暖。2.堿性解析思路：常見的燃燒后碳捕集吸收劑包括碳酸鈉（Na2CO3）溶液（蘇打法）和碳酸氫鈉（NaHCO3）溶液（偏蘇打法），它們都是堿性溶液，能與酸性CO2反應。3.放熱解析思路：CO2+3H2<=>CH4+H2O+熱量，該反應的標準焓變（ΔH°）為負值，屬于放熱反應。這也是CO2甲烷化反應難以自持進行，需要高溫驅動的原因之一。4.提高解析思路：催化劑通過降低反應的活化能，加速化學反應達到平衡，從而提高反應速率。同時，通過改變反應路徑，催化劑也可以提高目標產(chǎn)物的選擇性。5.能量解析思路：DAC系統(tǒng)需要消耗大量能源來驅動CO2的吸收（如溶液循環(huán)泵、壓縮泵）和再生（如加熱、吹掃）。能量消耗是DAC技術商業(yè)化的主要障礙之一，即能量效率問題。6.負極解析思路：電池的負極材料在充放電過程中會發(fā)生氧化還原反應。例如，鋰離子電池中石墨負極的Li-C6結構在脫鋰時可能發(fā)生結構破壞或副反應，其穩(wěn)定性直接影響電池壽命和安全性。7.可燃氣體解析思路：生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的混合氣體主要成分包括一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等，這些氣體都是可燃的，因此稱為可燃氣體混合物或合成氣。8.化學反應解析思路：化學鏈燃燒的核心思想是利用一個固體載體（通常是金屬氧化物，如Na2O2,CuO等）同時傳遞燃料的氧化劑和氧氣的還原劑，燃料與氧化劑在固體載體表面通過化學反應直接進行電子和氧的轉移，同時生成CO2和/或H2O，并將未反應的氧化劑載回。9.選擇性解析思路：理想的CO2轉化催化劑應能在促進CO2轉化反應的同時，抑制副反應的發(fā)生，從而最大化目標產(chǎn)物（如甲醇、烯烴）的收率和選擇性。提高選擇性是化學利用領域的研究重點。10.工業(yè)過程解析思路：CCUS技術的首要目標是捕獲從大型點源（如發(fā)電廠、工業(yè)設施）排放的CO2，這些排放主要來源于化石燃料的燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程。因此，CCUS是控制這些工業(yè)過程CO2排放的重要技術選項。三、簡答題1.簡述化學吸附與物理吸附在碳捕集材料中的作用機理及主要區(qū)別。解析思路：化學吸附是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子之間發(fā)生電子共享或轉移，形成化學鍵（如共價鍵、離子鍵），涉及較強的相互作用能（通常>40kJ/mol）。物理吸附是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子之間主要通過范德華力（分子間作用力）結合，不發(fā)生電子轉移，作用能較弱（通常<40kJ/mol）。化學吸附具有選擇性高、吸附熱高、易解吸的特點，常用于選擇性捕集CO2；物理吸附選擇性較低、吸附熱較低、易解吸，吸附容量可能更大，常用于低溫捕集或壓力swing/temperatureswing吸附。2.簡要說明CO2氣體的化學性質(zhì)，并列舉至少兩種其在工業(yè)上利用的化學途徑。解析思路：CO2化學性質(zhì)：CO2是直線形非極性分子，化學性質(zhì)相對穩(wěn)定。但它在一定條件下可以參與多種化學反應，如：①與水反應生成碳酸（H2CO3），具有弱酸性；②作為碳源，在高溫或催化劑作用下可以與多種物質(zhì)發(fā)生還原反應；③可以與堿發(fā)生反應生成碳酸鹽或碳酸氫鹽；④可以作為羧化劑參與有機合成反應。工業(yè)利用途徑：①合成尿素（[NH2]2CO），廣泛用于農(nóng)業(yè)化肥；②生產(chǎn)純堿（索爾維法）和燒堿（氨堿法）；③合成甲醇（CO2+3H2<=>CH3OH）；④合成烯烴（如乙烯，CO2+H2<=>CH2=CH2，費托合成或MTO過程的部分路徑）；⑤食品工業(yè)中用作制冷劑、碳酸飲料的氣體來源。3.闡述燃料電池中CO2可能產(chǎn)生負面影響的原因，并簡述一種應對策略。解析思路：負面影響原因：①降低電化學性能：CO2是酸性氣體，溶于電解質(zhì)或電極表面液體層后形成碳酸，降低電解質(zhì)的pH值（對PEMFC）或參與副反應，導致電化學反應速率下降，輸出功率降低。②引起材料腐蝕與中毒：CO2在高溫下可能與電極材料（如鉑催化劑、鎳基合金）或支撐結構發(fā)生化學反應導致腐蝕或性能衰減。③催化劑中毒：CO2或其反應產(chǎn)物可能覆蓋或毒化催化劑活性位點，抑制電化學反應。應對策略：開發(fā)高CO2耐受性電解質(zhì)（如固態(tài)氧化物電解質(zhì)SOEC對CO2基本惰性，或開發(fā)耐酸/耐堿且疏水的新型膜材料）；設計高效的CO2管理系統(tǒng)（如燃料電池內(nèi)部或外部水管理系統(tǒng)，及時移除溶解的CO2和生成的水）；使用抗CO2中毒的催化劑或進行預處理；選擇耐腐蝕的材料。四、計算題(1)解：設CO2轉化率為x，則平衡時CH3OH分壓為x×0.1MPa，H2分壓為(1-x)×0.1MPa，CO2分壓為(1-x)×0.1MPa，H2O分壓為x×0.1MPa?？倝篜=0.1MPa。根據(jù)分壓比等于摩爾分數(shù)比，平衡分壓表達式為：P(CH3OH)/(P(H2)×P(H2O)^(3/2))=Kpx×0.1/[(1-x)×0.1×(x×0.1)^(3/2)]=2.1×10^-4x/[(1-x)×x^(3/2)]=2.1×10^-4x^(1/2)/(1-x)=2.1×10^-4令y=x^(1/2)，則y^2/(1-y^2)=2.1×10^-4y^2=2.1×10^-4(1-y^2)y^2=2.1×10^-4-2.1×10^-4y^21.000210y^2=2.1×10^-4y^2=2.1×10^-4/1.000210≈2.0999×10^-4y=x^(1/2)≈0.01449x≈(0.01449)^2≈0.000210平衡時CH3OH分壓=x×0.1MPa=0.000210×0.1=2.1×10^-5MPa。(2)解：從化學平衡角度，提高CO2轉化率（即提高CH3OH產(chǎn)率）的措施有：①降低反應溫度：該反應是放熱反應（ΔH°<0），根據(jù)勒夏特列原理，降低溫度有利于平衡向放熱方向移動，即向生成甲醇的方向移動，從而提高CO2轉化率。②增大H2分壓：根據(jù)平衡常數(shù)表達式Kp=[CH3OH]/([CO2][H2]^3)，增大H2的濃度或分壓，會使平衡常數(shù)表達式右側分母增大，為使Kp保持不變，平衡將向正向移動（即生成更多CH3OH），從而提高CO2轉化率。③及時移除產(chǎn)物CH3OH：移除平衡體系中的CH3OH，會使[CH3OH]降低，根據(jù)勒夏特列原理，平衡向正向移動，以補充被移除的CH3OH，從而提高CO2轉化率。（在連續(xù)流動反應器中可實現(xiàn)）。④使用高效催化劑：雖然催化劑不改變平衡位置，但能顯著提高正向反應速率，使體系更快達到平衡狀態(tài)，并在相同條件下獲得更高的轉化率（尤其是在非平衡條件下操作時）。五、論述題結合能源化學的專業(yè)知識，論述CO2資源化利用的意義、面臨的挑戰(zhàn)以及當前化學領域正在探索的主要技術路徑。請從至少三個方面進行論述，并分析不同技術路徑可能涉及的關鍵化學問題和解決方案。解析思路：本論述題要求全面闡述CO2資源化利用，需涵蓋其意義、挑戰(zhàn)和技術路徑，并強調(diào)化學在其中扮演的角色。論述要點：1.意義：CO2是主要的溫室氣體，資源化利用可以減少大氣中CO2濃度，緩解氣候變化；同時將廢棄的CO2轉化為有用化學品或燃料，變廢為寶，實現(xiàn)碳循環(huán)，符合可持續(xù)發(fā)展理念；可以替代化石資源，降低對有限資源的依賴；部分轉化過程（如利用CO2捕集技術）可與現(xiàn)有工業(yè)過程結合，產(chǎn)生額外經(jīng)濟效益。2.挑戰(zhàn)：*化學挑戰(zhàn)：CO2分子結構穩(wěn)定（C=O雙鍵），化學惰性較高，活化能高，難以直接參與多種有機合成反應。轉化過程通常需要高溫、高壓或使用高能催化劑，能耗高。副反應多，產(chǎn)物分離純化困難。許多目標產(chǎn)物（如甲醇、烯烴）的合成路徑存在瓶頸，選擇性不高。*技術挑戰(zhàn)：捕集環(huán)節(jié)能耗高、成本高?，F(xiàn)有轉化技術經(jīng)濟性不足，難以與化石燃料成本競爭。規(guī)?；瘧妹媾R基礎設施和集成工程難題。CO2運輸和儲存的安全性與長期性問題。*經(jīng)濟挑戰(zhàn)：技術成本高，投資回報周期長。3.技術路徑與化學問題：*CO2化學轉化（制化學品與燃料）：**路徑示例：*CO2加氫制甲醇/烯烴/氨/