2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電解析氧化水制氧技術(shù)的研究與發(fā)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述電解析氧化水制氧的基本原理，并說明影響氧析出過電位的主要因素。二、比較貴金屬催化劑（如RuO2/IrO2）與非貴金屬催化劑（如Ni-Fe基合金、Co3O4）在電解析氧方面的優(yōu)缺點(diǎn)。指出當(dāng)前非貴金屬催化劑研究的主要方向。三、電解水制氫過程中，氧氣的析出會伴隨氫氣的副反應(yīng)（析氫反應(yīng)）。簡述提高氧氣選擇性的方法，并解釋其原理。四、陰離子交換膜在電解析氧裝置中扮演著重要角色。請說明其功能，并分析膜材料選擇對電解析氧性能（如電流效率、能耗）的影響。五、電解析氧過程的能耗是衡量其經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。簡述降低電解能耗的主要途徑。六、當(dāng)前電解析氧技術(shù)面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？請至少列舉三項(xiàng)，并分別說明其解決方向。七、光電催化技術(shù)結(jié)合了光能和電能，被用于促進(jìn)水分解制氧。簡述其基本原理，并分析其在制氧方面相較于傳統(tǒng)電解析氧的優(yōu)勢。八、結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)，談?wù)勀銓﹄娊馕鲅趸蒲跫夹g(shù)未來發(fā)展趨勢的看法。九、設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，用于篩選用于電解析氧的某種新型非貴金屬氧化物催化劑。請簡述實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟、需要測量的參數(shù)以及評價(jià)催化劑性能的主要指標(biāo)。試卷答案一、答案：電解析氧化水制氧是指在電化學(xué)池中，水分子在陽極受到氧化，失去電子生成氧氣和氫氧根離子的過程。其基本原理是利用外加電流驅(qū)動(dòng)非自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，陽極反應(yīng)通常為：2H2O-4e?=O2↑+4OH?（堿性電解液）或2H2O-4e?=O2↑+4H?（酸性電解液）。影響氧析出過電位的主要因素包括：電極材料的本征活性（催化能力）、電流密度（過電位與電流密度通常呈線性關(guān)系）、電解液種類與濃度（影響離子活度和電荷轉(zhuǎn)移）、溫度（通常升高溫度降低過電位）、以及可能存在的中間體吸附等。解析思路：第一步，明確電解析氧的陽極反應(yīng)式，這是基本原理的體現(xiàn)。第二步，從電極材料（核心因素）、操作參數(shù)（電流密度、電解液、溫度）和反應(yīng)機(jī)理（中間體吸附等）等多個(gè)維度列出影響過電位的主要因素。二、答案：貴金屬催化劑（如RuO2/IrO2）具有極高的本征活性和穩(wěn)定性，能顯著降低過電位，尤其在高電流密度下表現(xiàn)優(yōu)異，且壽命長。但其成本高昂，資源稀缺，限制了大規(guī)模應(yīng)用。非貴金屬催化劑（如Ni-Fe基合金、Co3O4）成本較低，資源豐富，具有巨大的應(yīng)用潛力。但其本征活性通常低于貴金屬，在較高電流密度下過電位較大，且穩(wěn)定性相對較差，易發(fā)生腐蝕或結(jié)構(gòu)坍塌。當(dāng)前非貴金屬催化劑研究的主要方向包括：通過合金化、摻雜、表面修飾、納米化等手段提高其本征活性和穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)具有特定電子結(jié)構(gòu)和表面形貌的催化劑以優(yōu)化吸附能；開發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的合成方法。解析思路：第一步，分別闡述貴金屬和非貴金屬催化劑在活性、穩(wěn)定性、成本上的優(yōu)缺點(diǎn)。第二步，指出非貴金屬催化劑的研究重點(diǎn)，通常圍繞提高活性、穩(wěn)定性及開發(fā)低成本合成方法展開。三、答案：提高氧氣選擇性的方法主要包括：使用氧析出反應(yīng)（OER）過電位遠(yuǎn)高于析氫反應(yīng)（HER）過電位的電極材料；構(gòu)建不對稱電化學(xué)池，即陽極使用高選擇性的OER催化劑，陰極使用高效的HER催化劑（如使用貴金屬或特殊設(shè)計(jì)的非貴金屬作為陰極）；采用離子交換膜或固態(tài)電解質(zhì)將陰陽極反應(yīng)隔開，防止H?或H?O向陽極遷移；利用光能促進(jìn)OER（光電催化或光輔助電化學(xué)）。其原理在于通過選擇合適的催化劑或反應(yīng)環(huán)境，使得OER的驅(qū)動(dòng)力（過電位）遠(yuǎn)大于HER，從而在相同的電極電位下，OER的反應(yīng)速率遠(yuǎn)超HER，實(shí)現(xiàn)高選擇性。解析思路：第一步，列舉提高選擇性的具體技術(shù)手段。第二步，重點(diǎn)解釋原理，即利用電位差或反應(yīng)路徑差異，使得目標(biāo)反應(yīng)（OER）占據(jù)主導(dǎo)地位。四、答案：陰離子交換膜在電解析氧裝置中的主要功能是將陽極區(qū)產(chǎn)生的OH?（或H?）與陰極區(qū)分離，防止它們遷移到對方區(qū)域，從而保證電解反應(yīng)按設(shè)計(jì)路徑進(jìn)行。陽極側(cè)的OH?遷移到陰極會消耗電子生成H?O，降低析氫效率；陰極側(cè)的H?遷移到陽極會與O?反應(yīng)生成H?O，同樣降低效率并可能影響陽極穩(wěn)定性。膜材料的選擇至關(guān)重要，需要具備高離子電導(dǎo)率（特別是OH?電導(dǎo)率，對于堿性體系）以降低電阻能耗，高選擇性（對離子選擇性高，對氣體滲透率低），良好的化學(xué)穩(wěn)定性（耐氧化、耐腐蝕），以及與電極的良好電接觸和機(jī)械強(qiáng)度。質(zhì)子交換膜（PEM）或固態(tài)氧化物電解質(zhì)（SOEC）在酸性或中性體系或高溫下有應(yīng)用，要求膜在不同條件下保持性能穩(wěn)定。解析思路：第一步，說明膜的主要功能——離子選擇性隔離。第二步，解釋為何需要隔離（防止副反應(yīng)，保證效率）。第三步，分析膜材料的關(guān)鍵性能要求（離子電導(dǎo)率、選擇性、穩(wěn)定性等）。五、答案：降低電解能耗的主要途徑包括：開發(fā)高活性、低過電位的電催化劑，以在較低的外加電壓下驅(qū)動(dòng)相同的電流密度；優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用三維電極、泡沫電極等，增大電極反應(yīng)面積，降低極限電流密度，從而降低在相同電流密度下的過電位；采用高效電化學(xué)池設(shè)計(jì)，如流電池、微流控芯片等，減少ohmic損耗；提高電解液離子濃度或溫度以降低溶液電阻；對于水電解，采用膜分離技術(shù)將生成的H?和O?分開，避免氫氧混合爆炸風(fēng)險(xiǎn)并簡化后處理，雖然這主要影響安全性和系統(tǒng)復(fù)雜度，但優(yōu)化設(shè)計(jì)也能間接影響能耗。解析思路：第一步，明確降低能耗的核心是降低外加電壓。第二步，從降低過電位（催化劑）、降低ohmic損耗（電極/電解液/隔膜優(yōu)化）、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化等角度提出具體方法。六、答案：電解析氧技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1.本征活性低：大多數(shù)高效的非貴金屬催化劑成本高、穩(wěn)定性差或本征活性仍需提高，難以在工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低成本和高效率的平衡。2.長期穩(wěn)定性差：電極材料在強(qiáng)氧化和腐蝕性電解環(huán)境中容易發(fā)生溶解、腐蝕、結(jié)構(gòu)相變或活性位點(diǎn)團(tuán)聚失活，影響器件壽命和可靠性。3.能耗與成本問題：盡管近年來效率有所提升，但與傳統(tǒng)制氧方法（如PSA）或電解水制氫副產(chǎn)氧相比，直接電解析氧的能耗和綜合成本仍有待進(jìn)一步降低，才能具備競爭力。4.氧氣純度與收集：在一些應(yīng)用場景下，需要高純度的氧氣，電解析氧的氧氣純度可能需要額外的分離純化步驟，增加系統(tǒng)能耗和復(fù)雜度。解析思路：第一步，從催化劑性能、材料穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用純度等角度思考電解析氧面臨的核心問題。七、答案：光電催化制氧的基本原理是利用半導(dǎo)體材料的光響應(yīng)特性，吸收特定波長的光能后產(chǎn)生光生電子和光生空穴。這些高活性載流子能夠直接參與或促進(jìn)水分解反應(yīng)，其中光生電子還原水生成H?，光生空穴氧化水生成O?。其優(yōu)勢在于可能利用廉價(jià)的太陽能等光能作為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)能源的綠色轉(zhuǎn)化；某些半導(dǎo)體可以通過調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)來優(yōu)化對水裂解反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力；部分體系可能表現(xiàn)出比純電化學(xué)更高的反應(yīng)效率（光生載流子直接參與反應(yīng)）；可能簡化系統(tǒng)，無需外部電源（光作為能源）。然而，光電催化也面臨挑戰(zhàn)，如光生載流子的量子效率不高、容易復(fù)合、材料穩(wěn)定性問題、以及如何高效收集光能和載流子等。解析思路：第一步，解釋光電催化的基本過程（光吸收、載流子產(chǎn)生、參與反應(yīng)）。第二步，說明其在能源利用、反應(yīng)效率、系統(tǒng)簡化等方面的潛在優(yōu)勢。第三步，簡要提及該技術(shù)仍存在的問題。八、答案：未來的發(fā)展趨勢可能包括：1.高效穩(wěn)定的非貴金屬催化劑：持續(xù)通過理論計(jì)算指導(dǎo)、先進(jìn)合成方法設(shè)計(jì)，開發(fā)出活性更高、穩(wěn)定性更好、成本更低的新型非貴金屬基催化劑。2.多學(xué)科交叉融合：結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行催化劑篩選和反應(yīng)機(jī)理研究；發(fā)展光-電協(xié)同催化體系，更高效地利用能源。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與反應(yīng)工程優(yōu)化：開發(fā)新型電極結(jié)構(gòu)（如納米結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)）和反應(yīng)器設(shè)計(jì)（如微反應(yīng)器、流電池），以提高傳質(zhì)效率、降低電阻損耗、延長器件壽命。4.膜技術(shù)的革新：研發(fā)性能更優(yōu)異、更穩(wěn)定、更廉價(jià)的新型離子交換膜或固態(tài)電解質(zhì)，以構(gòu)建高效、長壽命的電解槽。5.系統(tǒng)集成與成本降低：推動(dòng)電解析氧技術(shù)的中試和工業(yè)化應(yīng)用，通過規(guī)?；a(chǎn)降低成本，并與其他可再生能源技術(shù)（如太陽能、風(fēng)能）結(jié)合，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)。解析思路：第一步，從催化劑、多學(xué)科融合、結(jié)構(gòu)反應(yīng)工程、膜技術(shù)、系統(tǒng)集成與成本等宏觀層面展望未來方向。第二步，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)瓶頸和發(fā)展熱點(diǎn)，提出具體的發(fā)展方向。九、答案：實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：1.催化劑制備：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用溶膠-凝膠法、水熱法、共沉淀法、熱分解法等適當(dāng)方法合成目標(biāo)新型非貴金屬氧化物催化劑，并精確控制其組成和微觀結(jié)構(gòu)（如粒徑、形貌）。2.電極制備：將制備好的催化劑負(fù)載于導(dǎo)電基底（如碳?xì)?、石墨烯、鎳網(wǎng)）上，制備成工作電極。同時(shí)制備對電極（如鉑片或大面積惰性碳棒）和參比電極（如飽和甘汞電極SCE或Ag/AgCl電極），組成三電極體系。3.電化學(xué)測試：在電化學(xué)工作站上，以一定的掃描速率（如10mV/s）進(jìn)行線性掃描伏安法（LSV）掃描，測定在堿性（或酸性，根據(jù)催化劑設(shè)計(jì)）電解液（如0.1MKOH）中，不同電流密度下的電極電位。同時(shí)測定極限電流密度和過電位。4.性能評價(jià)：在設(shè)定的恒定電流密度下（例如，對應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用電流密度），進(jìn)行計(jì)時(shí)電流法或計(jì)時(shí)電位法測試，評估電極的穩(wěn)定性。使用氣體收集裝置（如排水集氣法、氣密性量氣管）測量產(chǎn)氧速率，并利用氣體分析儀（如GC）或通過釋放特定指示劑（如淀粉碘化鉀）間接測量氧氣純度。5.數(shù)據(jù)分析與比較：分析LSV曲線的形狀、過電位