2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——光催化材料在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.半導(dǎo)體光催化劑發(fā)生光催化反應(yīng)的首要條件是（）。A.具有合適的能帶結(jié)構(gòu)B.能夠有效捕獲環(huán)境中的污染物C.激發(fā)態(tài)具有足夠的能量D.具有高比表面積2.下列哪種材料的光譜響應(yīng)范圍最廣，理論上能吸收可見光區(qū)域幾乎所有光子？（）A.TiO?(銳鈦礦相)B.ZnOC.g-C?N?D.CdS3.為了提高光生電子-空穴對分離效率，常對光催化劑進(jìn)行哪種處理？（）A.增加比表面積B.能帶窄化C.引入表面能級或缺陷D.降低材料的制備成本4.光催化氧化有機(jī)污染物的主要產(chǎn)物是（）。A.鹵代烴B.揮發(fā)性有機(jī)物C.無機(jī)鹽類D.CO?和H?O5.在光催化分解水制氫過程中，作為犧牲劑的物質(zhì)是（）。A.O?B.H?O?C.CO?D.H?6.下列哪種金屬離子常用于對TiO?進(jìn)行摻雜，以拓展其光響應(yīng)范圍至可見光區(qū)？（）A.Ca2?B.Fe3?C.V??D.Al3?7.光催化反應(yīng)通常在哪種環(huán)境下進(jìn)行？（）A.完全絕緣B.氮?dú)夥諊鶦.水溶液或氣相D.真空環(huán)境8.影響光催化反應(yīng)速率的重要因素之一是（）。A.光催化劑的晶型B.污染物的濃度C.入射光的強(qiáng)度D.以上都是9.下列哪種方法不屬于光催化劑的制備方法？（）A.溶膠-凝膠法B.水熱法C.原位生長法D.離子交換法10.光催化技術(shù)目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.成本過高B.催化劑易失活C.光能利用率低D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填在橫線上。）1.半導(dǎo)體光催化劑在光照下吸收能量后，產(chǎn)生的帶負(fù)電的載流子是________，帶正電的載流子是________。2.光催化反應(yīng)通常包含的兩個(gè)關(guān)鍵步驟是________和________。3.提高光催化量子效率的主要途徑有________、________和________。4.石墨相氮化碳（g-C?N?）是一種具有________結(jié)構(gòu)的新型光催化劑，其優(yōu)勢在于________。5.光催化氧化法處理水中有機(jī)污染物時(shí)，主要利用的是半導(dǎo)體價(jià)帶電子對污染物基團(tuán)進(jìn)行________，或利用空穴直接________污染物。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述光生電子和空穴易于復(fù)合的主要原因，并至少提出兩種抑制其復(fù)合的方法。2.與傳統(tǒng)化學(xué)降解方法相比，光催化降解有機(jī)污染物具有哪些優(yōu)點(diǎn)？3.簡述構(gòu)建光催化劑異質(zhì)結(jié)的原理及其對提高光催化性能的作用。4.在水污染治理中，光催化技術(shù)可以處理哪些類型的污染物？請各舉一例。四、論述題（每題10分，共30分。）1.論述非金屬元素?fù)诫s對半導(dǎo)體光催化劑性能的影響機(jī)制，并舉例說明其在提高光催化活性方面的應(yīng)用。2.以處理水中某種典型有機(jī)污染物（如染料分子或抗生素）為例，闡述光催化降解過程可能涉及的關(guān)鍵步驟和反應(yīng)機(jī)理。3.當(dāng)前光催化技術(shù)在實(shí)際環(huán)境污染治理應(yīng)用中面臨哪些主要障礙？針對這些障礙，可以提出哪些潛在的解決方案或研究方向？---試卷答案一、選擇題1.A2.C3.C4.D5.B6.B7.C8.D9.D10.D二、填空題1.電子，空穴2.光生載流子的產(chǎn)生與分離，表面反應(yīng)3.擴(kuò)展光響應(yīng)范圍，提高電荷分離效率，抑制電荷復(fù)合4.共軛氮雜環(huán)，可見光響應(yīng)性好/環(huán)境友好/成本較低5.氧化，氧化三、簡答題1.解析思路：光生電子和空穴在遷移到材料表面參與反應(yīng)前，容易重新結(jié)合而消失，導(dǎo)致量子效率降低。主要原因包括：材料體相缺陷（如晶格畸變、雜質(zhì)能級）導(dǎo)致電子-空穴直接復(fù)合；表面缺陷（如danglingbonds）或吸附的雜質(zhì)（如O?,H?O）作為復(fù)合中心；載流子遷移速率慢，在遷移過程中發(fā)生復(fù)合。抑制復(fù)合的方法應(yīng)圍繞上述原因展開：改善晶體結(jié)構(gòu)，減少體相缺陷；進(jìn)行表面改性，如表面官能團(tuán)化、貴金屬沉積、非金屬摻雜等，以鈍化表面缺陷和抑制活性氧物種的產(chǎn)生；構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，利用內(nèi)建電場促進(jìn)電荷分離；優(yōu)化材料形貌，增加電荷遷移距離等。2.解析思路：光催化降解的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：反應(yīng)條件溫和（常溫常壓，利用太陽能等光能），環(huán)境友好無二次污染（最終產(chǎn)物通常為CO?和H?O等無機(jī)物），可處理多種難降解有機(jī)污染物（特別是抗生素、激素等），具有廣譜性（可利用紫外、可見光），操作簡單，可原位進(jìn)行等。3.解析思路：異質(zhì)結(jié)由兩種能帶結(jié)構(gòu)不同的半導(dǎo)體組成。當(dāng)兩者接觸時(shí)，在界面處會(huì)形成內(nèi)建電場。該電場具有將光生電子和空穴推向相反方向移動(dòng)的趨勢。對于功函數(shù)較大的半導(dǎo)體（如TiO?），其價(jià)帶頂較高，光生空穴容易被推向異質(zhì)結(jié)界面；對于功函數(shù)較小的半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底較低，光生電子容易被推向異質(zhì)結(jié)界面。這種內(nèi)建電場有效地減少了光生電子和空穴在體相或表面相遇復(fù)合的機(jī)會(huì)，從而提高了電荷分離效率，進(jìn)而提升了光催化活性。此外，異質(zhì)結(jié)也可能提供更多的活性位點(diǎn)或改變表面反應(yīng)路徑。4.解析思路：光催化技術(shù)可以處理多種水污染物。主要包括：有機(jī)污染物，如染料（如甲基藍(lán)）、酚類（如苯酚）、農(nóng)藥（如莠草酮）、抗生素（如四環(huán)素）、內(nèi)分泌干擾物（如雙酚A）等；重金屬離子，如Cr(VI)、Cd2?、Pb2?、Hg2?等；以及一些新興污染物。舉例時(shí)，選擇一個(gè)具體的污染物名稱即可。四、論述題1.解析思路：非金屬元素（N,S,P,C,F等）摻雜通過多種機(jī)制影響光催化性能：①能級調(diào)控：摻雜元素引入新的能級位于TiO?的帶隙中或與導(dǎo)帶/價(jià)帶發(fā)生作用，使得光生電子或空穴獲得足夠能量躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，或使得價(jià)帶頂降低/導(dǎo)帶底升高，從而將原本紫外光響應(yīng)的光催化劑擴(kuò)展到可見光區(qū)域。②表面態(tài)引入：非金屬摻雜可能產(chǎn)生表面態(tài)或缺陷態(tài)，這些位點(diǎn)可以作為電荷的捕獲阱，有效阻止光生電子和空穴的復(fù)合，提高電荷分離效率。③活性位點(diǎn)增加：摻雜可能改變材料的表面化學(xué)性質(zhì)，增加反應(yīng)活性位點(diǎn)。④載流子遷移通道：某些摻雜可能形成特定的晶格結(jié)構(gòu)，有利于載流子的快速遷移。結(jié)合實(shí)例，如N摻雜TiO?，N摻雜可形成淺施主能級，降低導(dǎo)帶底，拓寬光響應(yīng)范圍；同時(shí)N相關(guān)表面位點(diǎn)可以作為光生空穴的捕獲阱，抑制復(fù)合。2.解析思路：以降解水中甲基藍(lán)為例。首先，甲基藍(lán)分子吸收光能，發(fā)生光激發(fā)，電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，產(chǎn)生空穴和光生電子。其次，光生電子和空穴分別遷移到TiO?的表面。在表面，光生電子可以將吸附在表面的溶解氧（O?）還原成超氧自由基（?O??）。光生空穴可以直接氧化吸附在表面的水分子（H?O）或氫氧根離子（OH?），生成羥基自由基（?OH）。最后，生成的?O??和?OH是強(qiáng)氧化性的活性物種，它們進(jìn)攻甲基藍(lán)分子，通過一系列的氧化還原反應(yīng)，將甲基藍(lán)的發(fā)色團(tuán)破壞，最終礦化為CO?和H?O。整個(gè)過程涉及光吸收、載流子產(chǎn)生與分離、表面吸附、表面氧化還原反應(yīng)等步驟。3.解析思路：主要障礙包括：①光利用率低：太陽光光譜中只有紫外光部分能有效激發(fā)寬帶隙半導(dǎo)體（如TiO?），且光生載流子分離效率和反應(yīng)量子效率不高。②載流子復(fù)合率高：光生電子-空穴對在遷移到表面反應(yīng)前容易復(fù)合，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。③材料穩(wěn)定性差：光催化劑在光照、水、氧等環(huán)境因素作用下可能發(fā)生降解或失活。④催化活性不足：對于某些污染物，現(xiàn)有光催化劑的降解速率仍不夠快。⑤成本高、規(guī)?；瘧?yīng)用難：高效光催化劑的制備成本較高，且將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)