2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在新型能源研究中的應(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(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量轉(zhuǎn)換過程中熵總是（）。A.增加B.減少C.不變D.先增加后減少2.在太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)光生載流子分離的關(guān)鍵在于（）。A.電池的透明性B.電極材料的導(dǎo)電性C.光吸收材料的帶隙寬度D.電極之間形成足夠的內(nèi)建電場(chǎng)3.鋰離子電池中，Li+在正負(fù)極材料中的嵌入/脫出過程主要受（）控制。A.化學(xué)反應(yīng)速率B.質(zhì)量傳遞速率C.電荷轉(zhuǎn)移速率D.以上都是4.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的主要功能是（）。A.傳導(dǎo)電子B.傳導(dǎo)質(zhì)子（H+）C.催化反應(yīng)D.提供機(jī)械支撐5.催化水分解制氫氣，理想的催化劑應(yīng)具備（）等特點(diǎn)。A.高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性、低成本B.低活性、高選擇性、高穩(wěn)定性、低成本C.高活性、低選擇性、高穩(wěn)定性、低成本D.高活性、高選擇性、低穩(wěn)定性、低成本6.與傳統(tǒng)化石燃料相比，氫能的主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.資源儲(chǔ)量豐富B.燃燒效率高C.環(huán)境友好（燃燒產(chǎn)物為水）D.儲(chǔ)存運(yùn)輸方便7.下列哪種材料不適合用作鋰離子電池的負(fù)極材料？（）A.碳材料（如石墨）B.鈦酸鋰（Li4Ti5O12）C.磷酸鐵鋰（LiFePO4）D.鈷酸鋰（LiCoO2）8.在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，提高能量密度的關(guān)鍵在于（）。A.增加電池的重量B.增加電池的體積C.提高單位質(zhì)量或單位體積的能量存儲(chǔ)能力D.延長電池的循環(huán)壽命9.某種新型儲(chǔ)能材料，其理論比容量很高，但首次庫侖效率低，這主要說明該材料（）。A.存在嚴(yán)重的副反應(yīng)B.電極導(dǎo)電性差C.結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定D.需要經(jīng)過活化處理10.應(yīng)用化學(xué)在開發(fā)高效、穩(wěn)定的太陽能光催化分解水技術(shù)中扮演著重要角色，其核心在于（）。A.設(shè)計(jì)具有合適能帶結(jié)構(gòu)的催化劑B.提高光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率C.降低反應(yīng)過電位D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.燃料電池的發(fā)電效率通常比內(nèi)燃機(jī)高，其主要原因是其能量轉(zhuǎn)換過程更接近于________恒溫過程。2.在半導(dǎo)體光伏電池中，光生電子和空穴通過________勢(shì)壘分離，形成電流。3.儲(chǔ)氫材料按吸放氫原理可分為________型和________型兩大類。4.電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種常用的研究電池電極過程動(dòng)力學(xué)和界面狀態(tài)的________技術(shù)。5.催化劑在能源轉(zhuǎn)換反應(yīng)中，通過降低反應(yīng)的________能壘，提高反應(yīng)速率。6.氫燃料電池的陽極反應(yīng)主要是________在催化劑作用下氧化生成質(zhì)子和電子。7.提高鋰離子電池固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的主要途徑包括優(yōu)化其________結(jié)構(gòu)和升高其________。8.“碳中和技術(shù)”旨在通過化學(xué)或物理方法將大氣中的________固定并轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)。9.應(yīng)用化學(xué)家在開發(fā)新型電池材料時(shí)，需要綜合考慮材料的________、循環(huán)壽命、安全性及成本等因素。10.光伏電池的效率受到開路電壓、短路電流和________三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池正極材料LiCoO2的工作原理。2.簡(jiǎn)要說明燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）作為電解質(zhì)的關(guān)鍵作用。3.為什么說開發(fā)高效且廉價(jià)的光伏電池是應(yīng)用化學(xué)在能源領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)？四、計(jì)算題（6分）已知某太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（光照強(qiáng)度1000W/m2，溫度25°C）的開路電壓為0.7V，短路電流密度為15mA/cm2。假設(shè)電池的填充因子（FF）為0.75，請(qǐng)計(jì)算該電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的理論能量轉(zhuǎn)換效率（假設(shè)光子能量全部用于產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，且光吸收材料對(duì)所有入射光完全吸收）。五、論述題（共19分）1.闡述應(yīng)用化學(xué)在提高鋰離子電池能量密度方面的主要途徑和面臨的挑戰(zhàn)。（7分）2.結(jié)合實(shí)例，論述催化劑在可再生能源高效轉(zhuǎn)化（如光催化分解水、電催化還原CO2）中的重要作用。（6分）3.分析當(dāng)前氫能技術(shù)發(fā)展面臨的主要瓶頸，并探討應(yīng)用化學(xué)可以如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。（6分）試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.B5.A6.C7.C8.C9.A10.D二、填空題1.等溫2.內(nèi)建電3.化學(xué)吸附；物理吸附4.表征5.活化能6.氫氣7.化學(xué)鍵；溫度8.二氧化碳9.電化學(xué)性能10.填充因子三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述鋰離子電池正極材料LiCoO2的工作原理。解析思路：考察對(duì)鋰離子電池工作原理的理解。LiCoO2作為正極材料，在充電時(shí)鋰離子（Li+）從LiCoO2晶格中脫出，通過電解質(zhì)遷移到負(fù)極，同時(shí)Co的價(jià)態(tài)升高（通常從+3價(jià)氧化為+4價(jià)），O的價(jià)態(tài)降低；在放電時(shí)，鋰離子反向嵌入LiCoO2晶格，Co的價(jià)態(tài)降低，O的價(jià)態(tài)升高，同時(shí)釋放電子形成電流。2.簡(jiǎn)要說明燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）作為電解質(zhì)的關(guān)鍵作用。解析思路：考察對(duì)燃料電池結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)功能的理解。PEM在質(zhì)子交換膜燃料電池中充當(dāng)陽極和陰極之間的離子導(dǎo)體，允許質(zhì)子（H+）通過膜上的酸性基團(tuán)（如—SO?H）從陽極遷移到陰極，同時(shí)阻止電子通過膜直接從陽極流向陰極（即防止短路），并起到隔開燃料和氧化劑的物理屏障作用。3.為什么說開發(fā)高效且廉價(jià)的光伏電池是應(yīng)用化學(xué)在能源領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)？解析思路：考察對(duì)光伏電池效率限制因素的認(rèn)識(shí)。開發(fā)高效電池需要提高光吸收能力、減少能量損失（如Shockley-Queisser極限限制）、提升載流子分離和收集效率（減少內(nèi)阻和復(fù)合）、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)等。開發(fā)廉價(jià)電池則要求使用低成本的制備材料和技術(shù)。這兩方面往往相互制約，例如，提高效率的材料（如鈣鈦礦）可能成本較高或穩(wěn)定性較差，而廉價(jià)材料（如硅）的效率提升空間或制備工藝優(yōu)化空間有限。因此，在效率和經(jīng)濟(jì)性之間找到平衡點(diǎn)是重要挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題解析思路：考察電化學(xué)基本概念和效率計(jì)算能力。能量轉(zhuǎn)換效率（η）=輸出功率/輸入功率。輸出功率P=V*I=Voc*Jsc*FF（開路電壓*短路電流密度*填充因子）。輸入功率是入射光功率密度（1000W/m2）。將已知數(shù)值代入公式計(jì)算即可。計(jì)算過程：η=Voc*Jsc*FF/光照強(qiáng)度=0.7V*(15mA/cm2*10?3A/mA*10?cm2/m2)*0.75/1000W/m2=0.7*0.15*0.75/1000=0.0007875=7.88%五、論述題1.闡述應(yīng)用化學(xué)在提高鋰離子電池能量密度方面的主要途徑和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：考察對(duì)鋰離子電池能量密度提升策略的理解。主要途徑包括：開發(fā)具有更高比容量（單位質(zhì)量或體積能存儲(chǔ)更多鋰離子）的正負(fù)極材料（如高電壓正極材料、富鋰正極、硅基負(fù)極、鋰金屬負(fù)極等）；降低電極材料的內(nèi)阻，提高鋰離子和電子的傳輸速率；優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，增大活性物質(zhì)負(fù)載量，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑（如采用納米結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)）；開發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)，提高離子電導(dǎo)率并提升安全性。面臨的挑戰(zhàn)包括：新材料的成本、制備工藝的復(fù)雜性、循環(huán)穩(wěn)定性和壽命問題、安全性（特別是鋰金屬負(fù)極的枝晶生長和固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性）、規(guī)?；a(chǎn)的可行性等。2.結(jié)合實(shí)例，論述催化劑在可再生能源高效轉(zhuǎn)化（如光催化分解水、電催化還原CO2）中的重要作用。解析思路：考察對(duì)催化劑在能源轉(zhuǎn)化中作用的認(rèn)識(shí)。催化劑通過降低反應(yīng)的活化能，可以顯著提高反應(yīng)速率，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。例如，在光催化分解水制氫中，需要高效的光催化劑（如TiO?基材料、非金屬摻雜半導(dǎo)體、金屬氧化物或硫化物）來吸收光能并活化水分子，同時(shí)提供合適的能帶結(jié)構(gòu)促進(jìn)光生電荷的分離和傳輸，最終將水分解為氫氣和氧氣；在電催化還原CO2制化學(xué)品或燃料中，需要開發(fā)高效的電催化劑（如貴金屬、過渡金屬合金或氮化物），使其能在一定電位下選擇性地將CO2還原為目標(biāo)產(chǎn)物（如甲酸鹽、甲醇、乙二醇等），并抑制副反應(yīng)（如產(chǎn)生H?）。催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性和成本是評(píng)價(jià)其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。3.分析當(dāng)前氫能技術(shù)發(fā)展面臨的主要瓶頸，并探討應(yīng)用化學(xué)可以如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。解析思路：考察對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的理解以及應(yīng)用化學(xué)的作用。主要瓶頸包括：傳統(tǒng)制氫方式（化石燃料重整）依賴化石能源且產(chǎn)生碳排放；電解水制氫雖然綠色但電耗高、成本高；儲(chǔ)運(yùn)成本高、體積密度低、安全性問題（氣態(tài)氫）；加氫站建設(shè)慢、覆蓋面??；終端應(yīng)用技術(shù)（