2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電催化技術(shù)在能源化學(xué)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。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.在電催化反應(yīng)中，衡量反應(yīng)速率快慢的物理量是（）。A.過電勢B.交換電流密度C.Tafel斜率D.法拉第常數(shù)2.下列哪種材料通常被認(rèn)為是理想的電催化劑，因為它具有高本征活性和高穩(wěn)定性？（）A.貴金屬納米顆粒B.過渡金屬硫化物C.鈷磷合金（CoP）D.鐵基合金（Fe-basedalloys）3.在燃料電池中，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是（）。A.氧氣還原反應(yīng)B.氫氣氧化反應(yīng)C.二氧化碳還原反應(yīng)D.氧氣析出反應(yīng)4.電催化劑的活性位點通常具有（）。A.較高的電子密度B.較低的電子密度C.中等的電子密度D.不變的電子密度5.下列哪種方法不屬于電催化劑的“缺陷工程”策略？（）A.引入晶格空位B.構(gòu)建納米團簇C.表面原子刻蝕D.合金化6.線性掃描伏安法（LSV）通常用于測定（）。A.電極的電容B.電極的交換電流密度C.電極的過電勢D.電極的擴散系數(shù)7.在電催化水分解制氫過程中，析氫反應(yīng)（HER）的中間體通常被認(rèn)為是（）。A.*H?O*B.*OH?*C.*H?O?*D.*H*8.下列哪種物質(zhì)是氧還原反應(yīng)（ORR）的常見副產(chǎn)物？（）A.*H?O*B.*H?O?*C.*CO?*D.*CH?*9.電催化劑的“本征活性”主要受哪種因素影響？（）A.電極材料與電解液的接觸面積B.電極材料的電子結(jié)構(gòu)C.電極的制備方法D.電極的形狀10.二維材料如石墨烯，在電催化領(lǐng)域的主要優(yōu)勢之一是（）。A.高的本征活性B.易于制備C.良好的導(dǎo)電性D.穩(wěn)定性二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.電催化反應(yīng)通常伴隨著__________的發(fā)生。2.提高電催化反應(yīng)速率的常用方法是設(shè)計具有高__________的催化劑。3.氧氣析出反應(yīng)（OER）是水電解制氫的__________反應(yīng)。4.電催化研究中，常用的物理化學(xué)表征技術(shù)包括X射線衍射（__________）、X射線光電子能譜（__________）等。5.通過調(diào)節(jié)催化劑的__________和__________，可以優(yōu)化其電催化性能。6.電催化通常分為__________和__________兩大類。7.在電化學(xué)阻抗譜（EIS）中，半圓弧對應(yīng)的是__________。8.CO?電催化還原可以制備多種化學(xué)品，如__________和__________。9.單原子催化是一種通過精確控制原子分散來獲得極高催化活性的策略，其核心在于實現(xiàn)__________。10.燃料電池的效率通常用__________來衡量。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述Volmer-Heyrovsky-Tafel機理在析氫反應(yīng)中的應(yīng)用。2.與貴金屬催化劑相比，非貴金屬催化劑在電催化領(lǐng)域面臨哪些挑戰(zhàn)？3.簡述電催化在燃料電池中的應(yīng)用及其優(yōu)勢。四、計算題（6分）某電化學(xué)實驗中，在掃描速率為50mV/s時，測得某電催化劑的線性掃描伏安曲線（LSV）在電位E?處出現(xiàn)一個氧化峰，在電位E?處出現(xiàn)一個還原峰。已知標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位（SHE）為0V，請根據(jù)以下數(shù)據(jù)計算該電催化劑的過電勢η。假設(shè)電解液為pH=7的KOH溶液，且氧氣在堿性介質(zhì)中的析出電位約為+0.40V（相對于SHE）。電位E?:+0.20V電位E?:-0.10V五、論述題（13分）以氧還原反應(yīng)（ORR）為例，論述電催化劑的設(shè)計思路，包括需要考慮的關(guān)鍵因素、常用的設(shè)計策略以及如何通過調(diào)控催化劑的性能來提高燃料電池的性能。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.A5.B6.B7.D8.B9.B10.C二、填空題1.過電勢2.本征活性3.極限4.XRD,XPS5.組成,結(jié)構(gòu)6.還原反應(yīng),氧化反應(yīng)7.耐蝕性8.甲醇,乙酸9.高原子利用率10.熱力學(xué)效率三、簡答題1.Volmer步驟：H?+e?+*H?O*→*H?O*吸附Heyrovsky步驟：*H?O*+*H?O*+e?→*OH?*+*H?*Tafel步驟：2*H?O*+2e?→H?+2*OH?*在析氫反應(yīng)中，通常涉及Volmer吸附和隨后的Heyrovsky或Tafel脫附步驟。Volmer步驟形成吸附態(tài)氫原子，隨后可通過與另一個水分子反應(yīng)并脫附形成氫氣（Heyrovsky），或通過兩個吸附態(tài)氫原子結(jié)合并脫附形成氫氣（Tafel）。2.非貴金屬催化劑面臨的挑戰(zhàn)主要包括：本征活性低于貴金屬；易在反應(yīng)環(huán)境中發(fā)生溶解或腐蝕；對活性位點結(jié)構(gòu)敏感，穩(wěn)定性較差；抗CO?中毒能力弱。3.電催化在燃料電池中的應(yīng)用：在燃料電池的陽極，電催化將燃料（如H?）氧化釋放電子；在陰極，電催化將氧化劑（如O?）還原。電催化可以提高燃料電池的電流密度、降低過電勢、提高功率密度和效率，從而增強燃料電池的性能和商業(yè)可行性。優(yōu)勢在于可能降低成本、提高能量轉(zhuǎn)換效率、實現(xiàn)可再生能源的有效利用。四、計算題解析思路：過電勢是指實際電極電位與平衡電位之差。在本題中，氧化峰對應(yīng)的是析氧反應(yīng)（OER），其平衡電位已知為+0.40V（相對于SHE）。氧化峰電位E?為+0.20V，因此OER的過電勢η=E?-Eeq=+0.20V-(+0.40V)=-0.20V。然而，過電勢通常定義為正值，表示驅(qū)動非平衡反應(yīng)所需的額外電位，故取絕對值，η=|-0.20V|=0.20V。（注意：題目數(shù)據(jù)設(shè)置可能導(dǎo)致計算結(jié)果不符合常規(guī)預(yù)期，此解析基于題目給出的數(shù)據(jù)直接計算電位差值的絕對值作為過電勢）過電勢η=|E?-Eeq|=|+0.20V-(+0.40V)|=|-0.20V|=0.20V五、論述題解析思路：論述題需系統(tǒng)闡述電催化劑設(shè)計的關(guān)鍵要素和策略，并結(jié)合ORR與燃料電池性能的關(guān)系。關(guān)鍵要素包括：活性（本征活性和催化活性）、選擇性（對目標(biāo)反應(yīng)的催化選擇性，抗副反應(yīng)）、穩(wěn)定性（電化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性）。設(shè)計策略可從組成（元素選擇、合金化、摻雜）、結(jié)構(gòu)（納米結(jié)構(gòu)、單原子、二維材料、缺陷工程）、形貌（納米顆粒、納米線、納米片）等方面展開。提高ORR性能如何提升燃料電池性能：提高ORR的動力學(xué)速率（降低過電勢）和電流密度，可以增加電子轉(zhuǎn)移速率，從而提高燃料電池的功率密度和效率；提高選擇性有助于減少副反應(yīng)，延長電池壽命；提高穩(wěn)定性則保證電池的長期運行。電催化劑的設(shè)計旨在提高其對特定電催化反應(yīng)的活性和選擇性，并確保其在工作環(huán)境中的穩(wěn)定性。以氧還原反應(yīng)（ORR）為例，其在燃料電池陰極中起著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響燃料電池的效率。ORR的電催化劑設(shè)計需要考慮以下關(guān)鍵因素：1.活性：活性是衡量催化劑催化反應(yīng)能力的重要指標(biāo)，包括本征活性和催化活性。本征活性指在理想條件下催化劑的催化能力，主要由催化劑的電子結(jié)構(gòu)決定。催化活性則是在實際反應(yīng)條件下測得的活性，除了本征活性外，還受催化劑與電解液界面、傳質(zhì)等因素影響。提高ORR活性的目標(biāo)是降低反應(yīng)所需的過電勢，提高電流密度。2.選擇性：選擇性指催化劑對目標(biāo)反應(yīng)（ORR）的催化效率以及對副反應(yīng)（如析氧反應(yīng)OER）的抑制能力。理想的ORR催化劑應(yīng)能高效促進ORR，同時抑制OER等副反應(yīng)，尤其是在燃料電池工作電壓范圍內(nèi)。3.穩(wěn)定性：穩(wěn)定性包括電化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。電化學(xué)穩(wěn)定性指催化劑在反復(fù)電位掃描或長期運行過程中抵抗結(jié)構(gòu)變化和溶解的能力?；瘜W(xué)穩(wěn)定性指催化劑在反應(yīng)環(huán)境中抵抗氧化、還原、腐蝕等化學(xué)作用的能力。穩(wěn)定性是保證燃料電池長期可靠運行的基礎(chǔ)?；谏鲜鲫P(guān)鍵因素，常用的ORR催化劑設(shè)計策略包括：1.組成調(diào)控：*合金化：將兩種或多種過渡金屬元素組成合金，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，調(diào)變電子結(jié)構(gòu)，暴露更多活性位點，提高活性。例如，Ni-Fe合金、Co-Ni合金等。*摻雜：將少量雜原子（如N,S,P）摻雜到催化劑基體中，可以改變局部電子環(huán)境，調(diào)節(jié)吸附能，從而影響反應(yīng)路徑和活性。例如，氮摻雜碳材料。*貴賤金屬協(xié)同：利用貴金屬的高本征活性與非貴金屬的低成本和穩(wěn)定性相結(jié)合，構(gòu)建貴賤金屬復(fù)合催化劑。2.結(jié)構(gòu)調(diào)控：*納米結(jié)構(gòu)設(shè)計：構(gòu)建納米顆粒、納米線、納米管、納米片等具有高比表面積和短擴散路徑的結(jié)構(gòu)，增加活性位點暴露，提高反應(yīng)速率。例如，ORR活性隨催化劑尺寸減小而提高的趨勢。*單原子催化：將單個金屬原子分散在高表面積載體