2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的合成與應(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。請將正確選項(xiàng)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一種材料通常被認(rèn)為屬于對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的核心類別？A.碳納米管B.金屬有機(jī)框架（MOF）C.石墨烯D.硅藻土2.在生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的合成中，溶劑熱法通常要求的反應(yīng)環(huán)境是？A.常溫常壓的空氣B.高溫高壓的密閉容器C.真空環(huán)境下D.室溫下的開放體系3.生物質(zhì)熱解的主要產(chǎn)物不包括？A.生物油B.生物炭C.氫氣D.甲烷4.提高金屬有機(jī)框架（MOF）儲(chǔ)氫性能的常用策略之一是？A.增大孔道尺寸B.降低比表面積C.使用對(duì)稱性較低的配體D.減少金屬節(jié)點(diǎn)種類5.下列哪種方法不屬于典型的生物基金前驅(qū)體浸漬法合成策略？A.將金屬鹽溶液浸漬到生物炭載體中再進(jìn)行熱解B.將生物質(zhì)粉末直接與配體和金屬鹽混合后溶解C.將生物質(zhì)熱解得到的氣體引入到MOF前驅(qū)體溶液中D.將生物油與金屬鹽在特定溶劑中混合后進(jìn)行結(jié)晶6.影響生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素通常與？A.生物基質(zhì)的含氧官能團(tuán)種類和數(shù)量有關(guān)B.MOF框架的金屬節(jié)點(diǎn)種類有關(guān)C.孔道內(nèi)自由體積的大小有關(guān)D.材料的比表面積大小有關(guān)7.在氫能存儲(chǔ)應(yīng)用中，評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫材料性能的核心指標(biāo)通常不包括？A.吸附容量B.吸附速率C.氫氣純度D.工作溫度范圍8.生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料相較于傳統(tǒng)無機(jī)儲(chǔ)氫材料，其主要優(yōu)勢之一是？A.通常具有更高的儲(chǔ)氫容量B.易于大規(guī)模低成本制備C.具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性D.對(duì)極低溫環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)9.MOF材料的對(duì)稱性與其儲(chǔ)氫性能之間的關(guān)系可以描述為？A.對(duì)稱性越高，儲(chǔ)氫量必然越大B.對(duì)稱性對(duì)儲(chǔ)氫性能影響不大C.適當(dāng)?shù)膶?duì)稱性有助于提高儲(chǔ)氫選擇性D.對(duì)稱性低的材料通常具有更快的釋氫速率10.目前生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在燃料電池領(lǐng)域的主要應(yīng)用挑戰(zhàn)在于？A.儲(chǔ)氫成本過高B.儲(chǔ)氫量難以滿足大規(guī)模需求C.材料在高溫或潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性不足D.氫氣釋放過程難以精確控制二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后橫線上）1.金屬有機(jī)框架（MOF）材料是由______和______通過配位鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。2.生物油通常含有大量的______、______和少量含氮、硫有機(jī)化合物。3.影響生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料比表面積的關(guān)鍵因素包括______的比表面積和______的孔道結(jié)構(gòu)。4.水熱合成法通常在______和______的條件下進(jìn)行，可以有效控制材料的晶粒尺寸和形貌。5.提高生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫性能的“智能響應(yīng)”設(shè)計(jì)思路通常涉及引入______，使其性能能對(duì)外界刺激（如溫度、壓力、光照）做出可逆變化。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述生物質(zhì)熱解制備生物炭的基本過程及其對(duì)后續(xù)合成儲(chǔ)氫材料的影響。2.簡述浸漬法合成生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的原理及其優(yōu)點(diǎn)。3.簡述影響金屬有機(jī)框架（MOF）儲(chǔ)氫材料化學(xué)穩(wěn)定性的主要因素。4.簡述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在氫能存儲(chǔ)領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的合成方法與其性能（儲(chǔ)氫量、選擇性、穩(wěn)定性）之間的關(guān)系。2.論述對(duì)稱性在生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化中的作用。3.結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展，論述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?；鎯?chǔ)方面的潛力和發(fā)展方向。五、分析題（10分）結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，分析一種具體的生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料（例如，基于生物炭負(fù)載的MOF或COF），討論其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、合成方法、主要性能特點(diǎn)以及在氫能應(yīng)用方面的優(yōu)勢與局限性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.A5.B6.A7.C8.B9.C10.C二、填空題1.金屬節(jié)點(diǎn)，有機(jī)配體2.酸，醛3.生物基金，對(duì)稱儲(chǔ)氫材料（或MOF/COF框架）4.高溫，高壓5.感應(yīng)官能團(tuán)（或智能響應(yīng)單元）三、簡答題1.簡述生物質(zhì)熱解制備生物炭的基本過程及其對(duì)后續(xù)合成儲(chǔ)氫材料的影響。解析思路：生物熱解是在缺氧或無氧條件下，通過加熱使生物質(zhì)熱分解的過程。主要步驟包括干燥、熱解（裂解產(chǎn)生生物油、生物炭和水煤氣等）和焦油裂解。制備生物炭是熱解的核心產(chǎn)物之一。其影響在于：①生物炭提供了豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)活性位點(diǎn)，可以作為合成儲(chǔ)氫材料（如MOFs/COFs）的載體或前驅(qū)體，增加材料的比表面積和吸附位點(diǎn)；②生物炭表面的含氧官能團(tuán)可以與金屬鹽或有機(jī)配體發(fā)生相互作用，影響后續(xù)合成過程和材料的最終結(jié)構(gòu)、性能；③生物炭的種類和熱解條件決定了其理化性質(zhì)，進(jìn)而影響負(fù)載或衍生材料的性質(zhì)。2.簡述浸漬法合成生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的原理及其優(yōu)點(diǎn)。解析思路：浸漬法合成的基本原理是將含有前驅(qū)體（如金屬鹽、有機(jī)配體或兩者）的溶液、凝膠或粉末浸漬到多孔的生物基金（如生物炭、活性炭）載體中，然后通過溶劑揮發(fā)、熱解、光化學(xué)等方法使前驅(qū)體在載體內(nèi)部原位生長或沉積，形成負(fù)載型或復(fù)合型的儲(chǔ)氫材料。優(yōu)點(diǎn)在于：①可以有效利用生物基載體本身的高比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，提高材料的整體儲(chǔ)氫能力；②合成過程相對(duì)簡單，成本較低，易于規(guī)模化；③可以通過控制浸漬量來調(diào)控負(fù)載量，靈活設(shè)計(jì)材料組成；④生物基載體可能賦予材料一定的穩(wěn)定性和選擇性。3.簡述影響金屬有機(jī)框架（MOF）儲(chǔ)氫材料化學(xué)穩(wěn)定性的主要因素。解析思路：MOF的化學(xué)穩(wěn)定性指其在化學(xué)環(huán)境（如酸、堿、溶劑、水）作用下保持其結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的能力。主要影響因素包括：①金屬節(jié)點(diǎn)（MetalNodes）的種類和配位環(huán)境：不同金屬離子（如Zn2?,Co2?,Fe3?等）的化學(xué)性質(zhì)和配位能力不同，影響與配體的結(jié)合強(qiáng)度和整體框架的穩(wěn)定性；②有機(jī)配體（OrganicLinkers）的種類、結(jié)構(gòu)、連接方式（單節(jié)、雙節(jié)或多節(jié)）及其與金屬節(jié)點(diǎn)的配位模式：配體的酸堿性、柔性、對(duì)稱性等都會(huì)顯著影響MOF的穩(wěn)定性；③框架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和孔道環(huán)境：高度對(duì)稱、緊密堆積的結(jié)構(gòu)通常更穩(wěn)定，但可能不利于氣體吸附；而開放性、多孔的結(jié)構(gòu)可能更易受到外界環(huán)境侵蝕；④孔道內(nèi)客體分子的影響：吸附的分子（如水、溶劑）可能與MOF框架發(fā)生相互作用，影響其穩(wěn)定性。4.簡述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在氫能存儲(chǔ)領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。解析思路：生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料雖然具有綠色、可持續(xù)等優(yōu)勢，但在氫能存儲(chǔ)領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)：①儲(chǔ)氫容量：相較于某些高性能的非生物基儲(chǔ)氫材料（如某些金屬氫化物），目前大多數(shù)生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的在室溫常壓下的儲(chǔ)氫量仍有較大提升空間，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求；②循環(huán)穩(wěn)定性：尤其是在經(jīng)歷多次吸放氫循環(huán)或暴露于不同環(huán)境條件下時(shí)，材料的結(jié)構(gòu)和性能容易衰減，穩(wěn)定性不足；③合成重復(fù)性與成本：部分合成方法可能條件苛刻，產(chǎn)物純化和結(jié)構(gòu)控制難度大，大規(guī)模低成本制備技術(shù)尚不成熟；④結(jié)構(gòu)與性能的精確調(diào)控：如何精確調(diào)控生物基前驅(qū)體的特性以及最終MOF/COF的結(jié)構(gòu)、孔道尺寸和化學(xué)組成，以獲得理想的儲(chǔ)氫性能，仍需深入研究；⑤基礎(chǔ)理論研究：關(guān)于生物基金與對(duì)稱儲(chǔ)氫材料相互作用的機(jī)理、結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系等基礎(chǔ)科學(xué)問題有待深入揭示。四、論述題1.論述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的合成方法與其性能（儲(chǔ)氫量、選擇性、穩(wěn)定性）之間的關(guān)系。解析思路：生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的合成方法是決定其最終性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兩者之間存在密切的構(gòu)效關(guān)系。①儲(chǔ)氫量：材料的儲(chǔ)氫量與其比表面積、孔體積、孔徑分布、孔道化學(xué)性質(zhì)以及與氫氣的相互作用能力密切相關(guān)。不同的合成方法（如溶劑熱、水熱、浸漬法、模板法等）會(huì)影響最終材料的比表面積、孔道結(jié)構(gòu)（尺寸、形狀、連通性）和表面性質(zhì)。例如，選擇合適的溶劑和反應(yīng)條件（如溫度、壓力、時(shí)間）可以優(yōu)化孔道結(jié)構(gòu)，提高比表面積和吸附位點(diǎn)數(shù)量。浸漬法可以通過利用生物基載體的高比表面積來增加整體儲(chǔ)氫量。引入特定的配體或金屬節(jié)點(diǎn)可以調(diào)節(jié)孔道內(nèi)腔的化學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)對(duì)氫氣的吸附能力。②選擇性：選擇性儲(chǔ)氫是指材料優(yōu)先吸附氫氣，抑制其他氣體的吸附。合成方法可以通過精確控制MOF/COF的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)選擇性。例如，通過選擇合適的配體制備出特定尺寸的孔道，可以依據(jù)范德華力（如孔徑效應(yīng)、吸附能差異）實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高選擇性吸附。③穩(wěn)定性：合成方法對(duì)材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性有直接影響。例如，采用溫和的溶劑和反應(yīng)條件有助于獲得結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的材料。浸漬法中，生物基載體的性質(zhì)和與MOF/COF的界面結(jié)合強(qiáng)度會(huì)影響復(fù)合材料的整體穩(wěn)定性。引入對(duì)特定環(huán)境（如水、酸、堿）穩(wěn)定的金屬節(jié)點(diǎn)和配體，并在合成過程中進(jìn)行優(yōu)化，可以提高材料的穩(wěn)定性。因此，選擇和優(yōu)化合成方法是調(diào)控生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料性能，以滿足特定應(yīng)用需求的核心策略。2.論述對(duì)稱性在生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化中的作用。解析思路：對(duì)稱性是MOF/COF材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要概念，對(duì)材料的性能（尤其是儲(chǔ)氫性能）具有顯著影響。對(duì)稱性主要指材料晶體結(jié)構(gòu)在空間中的對(duì)稱操作（平移、旋轉(zhuǎn)、反映、反演等）下的不變性。①對(duì)儲(chǔ)氫容量：對(duì)稱性高的MOF/COF通常具有高度有序、規(guī)則排列的孔道結(jié)構(gòu)。這種規(guī)整性有利于形成定向的孔道通道，有利于氫氣分子沿著特定方向高效擴(kuò)散和填充，可能有利于實(shí)現(xiàn)較高的儲(chǔ)氫容量。然而，過高的對(duì)稱性有時(shí)可能導(dǎo)致孔道過于狹窄或單一，限制了分子吸附和擴(kuò)散，反而不利于儲(chǔ)氫。因此，需要適度設(shè)計(jì)對(duì)稱性。②對(duì)儲(chǔ)氫選擇性：材料的對(duì)稱性與其孔道結(jié)構(gòu)的均勻性和規(guī)整性密切相關(guān)。高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)通常具有尺寸均一的孔道，這可以根據(jù)Langmuir吸附等溫線理論或基于范德華力的孔徑效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定尺寸或極性分子的選擇性吸附。例如，可以通過設(shè)計(jì)對(duì)稱性合適的MOF孔道，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的高選擇性吸附，同時(shí)抑制氮?dú)獾雀偁帤怏w的吸附。③對(duì)穩(wěn)定性：對(duì)稱性在一定程度上也影響材料的穩(wěn)定性。高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)通常具有更規(guī)整的配位環(huán)境和更均勻的應(yīng)力分布，可能表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。但穩(wěn)定性還與金屬節(jié)點(diǎn)和配體的種類、鍵合強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。④在生物基金中的應(yīng)用：在生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料中，對(duì)稱性設(shè)計(jì)不僅指MOF/COF框架本身，也包括生物基載體（如生物炭）的孔道結(jié)構(gòu)與其負(fù)載的MOF/COF之間的協(xié)同。通過設(shè)計(jì)具有特定對(duì)稱性的生物基載體或負(fù)載其上的MOF/COF，可以更好地調(diào)控材料的整體結(jié)構(gòu)和性能?？傊?，對(duì)稱性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，合理利用對(duì)稱性有助于優(yōu)化生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫容量、選擇性和穩(wěn)定性。3.結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展，論述生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?；鎯?chǔ)方面的潛力和發(fā)展方向。解析思路：生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料結(jié)合了生物質(zhì)資源的可持續(xù)性和對(duì)稱儲(chǔ)氫材料的優(yōu)異性能，在氫能規(guī)?；鎯?chǔ)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的潛力和廣闊的發(fā)展前景，但也面臨挑戰(zhàn)。①潛力：a)綠色環(huán)保與可持續(xù)性：利用農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)資源作為前驅(qū)體或載體，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念，原料來源廣泛，環(huán)境友好，有望降低儲(chǔ)氫材料的成本。b)結(jié)構(gòu)多樣性與可調(diào)控性：生物質(zhì)熱解產(chǎn)物（如生物炭）具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)位點(diǎn)，為負(fù)載或衍生MOFs/COFs提供了多樣化的基礎(chǔ)，可以通過調(diào)整合成條件設(shè)計(jì)出具有不同結(jié)構(gòu)和性能的材料。c)潛在的低成本優(yōu)勢：相較于貴金屬基材料或復(fù)雜的無機(jī)合成，利用生物基前驅(qū)體合成的材料有望降低生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模制備。②發(fā)展方向：a)突破儲(chǔ)氫性能瓶頸：當(dāng)前主要挑戰(zhàn)是儲(chǔ)氫容量普遍偏低。未來研究應(yīng)聚焦于：開發(fā)新型高效生物基配體和金屬節(jié)點(diǎn)；優(yōu)化合成方法，精確調(diào)控孔道結(jié)構(gòu)（尺寸、分布、連通性）以適應(yīng)氫氣吸附；利用生物炭等載體的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高材料的比表面積和吸附能力；探索混合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。b)提升循環(huán)穩(wěn)定性：研究生物基金與MOF/COF之間的界面相容性，開發(fā)穩(wěn)定化策略（如表面改性、封裝等），提高材料在多次吸放氫循環(huán)以及不同環(huán)境（水、酸、堿）下的穩(wěn)定性。c)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；统杀局苽洌貉芯扛咝А⒑喕暮铣晒に嚕ㄈ绯爻汉铣?、固相合成），探索連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)，降低原料成本和能耗，為規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。d)強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究：深入理解生物基金與對(duì)稱儲(chǔ)氫材料之間的相互作用機(jī)理，揭示結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，為材料理性設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。e)拓展應(yīng)用場景：除了氫氣存儲(chǔ)，探索生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料在其他能源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如二氧化碳捕獲與利用、其他小分子儲(chǔ)存、催化等，實(shí)現(xiàn)材料的多元化應(yīng)用。f)智能響應(yīng)性能開發(fā)：結(jié)合智能響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)能夠根據(jù)需求調(diào)控儲(chǔ)氫性能的材料，提高儲(chǔ)氫應(yīng)用的靈活性和效率。通過持續(xù)的研究和技術(shù)突破，生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料有望在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中扮演重要角色，為實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型做出貢獻(xiàn)。五、分析題結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，分析一種具體的生物基金對(duì)稱儲(chǔ)氫材料（例如，基于生物炭負(fù)載的MOF或COF），討論其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、合成方法、主要性能特點(diǎn)以及在氫能應(yīng)用方面的優(yōu)勢與局限性。解析思路：分析一種具體的材料需要結(jié)合其結(jié)構(gòu)、合成、性能和應(yīng)用進(jìn)行綜合討論。以“基于生物炭負(fù)載的MOF（Metal-OrganicFramework,Metal-OrganicFramework）”為例進(jìn)行分析。這是一種復(fù)合材料，生物炭作為載體或模板，MOF作為功能主體。①結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)通常包含兩部分：a)生物炭基體：具有三維的孔隙網(wǎng)絡(luò)，比表面積較大（通常幾百m2/g），表面含有含氧官能團(tuán)，可能存在缺陷位點(diǎn)和邊緣效應(yīng)，可以吸附金屬鹽前驅(qū)體或作為MOF生長的模板/載體。b)MOF負(fù)載層：MOF晶體或納米顆粒生長在生物炭的表面或孔道內(nèi)。MOF的孔道結(jié)構(gòu)、尺寸、化學(xué)環(huán)境由其金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體決定，與生物炭的孔道相互關(guān)聯(lián)或獨(dú)立存在。整體結(jié)構(gòu)是生物炭與MOF的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有生物基材料的特性與MOF的高孔隙率、高比表面積相結(jié)合的特點(diǎn)。②合成方法：常見的合成方法包括：a)浸漬-熱解法：將金屬鹽溶液或含有有機(jī)配體的溶液浸漬到預(yù)處理過的生物炭中，干燥后進(jìn)行高溫?zé)峤?，使金屬鹽還原沉積在生物炭表面/孔道內(nèi)，同時(shí)引發(fā)有機(jī)配體聚合形成MOF結(jié)構(gòu)。b)原位生長法：將生物炭粉末加入到MOF前驅(qū)體溶液中，通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)或水熱/溶劑熱條件促使MOF在生物炭表面或孔道內(nèi)原位結(jié)晶生長。c)生物炭輔助水熱/溶劑熱法：直接使用