2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——電化學能源轉(zhuǎn)換中的納米材料設計考試時間：______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.在電化學能轉(zhuǎn)換過程中，降低電極/電解質(zhì)界面電阻的主要途徑之一是利用納米材料來（）。A.增大電極材料的本征電導率B.縮短離子在電解質(zhì)中的擴散路徑C.增加電極材料的理論容量D.提高電極表面的析氧過電勢2.納米材料表現(xiàn)出顯著的“小尺寸效應”主要源于其（）。A.表面積與體積比急劇增大B.原子或分子數(shù)減少到臨界尺寸C.量子尺寸效應D.表面原子排列不規(guī)則3.對于鋰離子電池正極材料，納米化處理主要目的是（）。A.降低材料的制備成本B.提高鋰離子在材料內(nèi)部的遷移速率C.增大材料的比表面積，提高電極/電解質(zhì)接觸面積，加速傳質(zhì)D.增強材料的機械強度4.在設計氧還原反應（ORR）催化劑時，利用納米材料設計核殼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是（）。A.提高核層材料的本征催化活性B.防止殼層材料在反應過程中被氧化溶解，提高催化劑的穩(wěn)定性C.增大催化劑的比表面積D.降低催化劑的制備溫度5.水的電解分解制氫，為降低能耗、提高效率，對催化劑的要求包括（）。A.高的交換電流密度B.高的電子親和能C.高的晶格能D.高的選擇性（僅對目標產(chǎn)物）6.拓撲結(jié)構(gòu)受限的納米材料，如中空納米殼、納米籠等，在電化學能源轉(zhuǎn)換中的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在（）。A.提供大量的儲鋰位點B.增強材料的導電性C.為離子提供獨特的擴散通道，降低擴散阻抗D.提高材料的化學穩(wěn)定性7.燃料電池中，使用納米結(jié)構(gòu)催化劑（如納米鉑團簇）附著在多孔碳載體上，其主要目的是（）。A.提高鉑的利用率B.增大電極的比表面積，提供更多的活性位點C.降低碳載體的成本D.改善電極的機械強度8.電化學阻抗譜（EIS）常用于研究電化學體系的（）。A.電流-電壓特性B.儲能能力C.內(nèi)部電阻和電荷轉(zhuǎn)移過程D.催化活性9.在設計高能量密度鋰離子電池時，除了提高電極材料的比容量外，還需要關注（）。A.降低電池的倍率性能B.縮短鋰離子在電解質(zhì)中的擴散時間C.提高電極材料的放電平臺電壓D.減小電極材料的體積膨脹10.納米材料的尺寸從微米級減小到納米級，其（）顯著增加。A.密度B.熔點C.比表面積D.硬度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.電化學阻抗譜（EIS）通過分析交流阻抗隨______的變化，可以研究電極過程的______和______。2.在電化學儲能器件中，電極材料的______和______是其關鍵性能指標。3.納米材料獨特的______和______使其在電化學能源轉(zhuǎn)換領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。4.設計高效電催化劑時，除了關注材料的本征活性外，還需考慮其______、______和______。5.利用電化學方法制備納米材料時，可以通過控制______、______和______等參數(shù)來調(diào)控產(chǎn)物的尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述納米材料的小尺寸效應對其電化學性能可能產(chǎn)生的影響。2.簡述核殼結(jié)構(gòu)納米材料在電化學能源轉(zhuǎn)換應用中的一個具體優(yōu)勢。3.簡述提高燃料電池陽極氧還原反應（ORR）催化劑性能的主要設計思路。四、論述題（每小題10分，共20分）1.論述納米材料在提高鋰離子電池倍率性能方面的作用機制，并舉例說明。2.論述設計用于水分解制氫的高效電催化劑時，需要綜合考慮哪些關鍵因素，并簡要說明理由。五、材料設計題（15分）背景：針對目前商用鋰離子電池正極材料（如LiFePO4）存在電壓平臺低、倍率性能差、電子電導率低等問題，設計一種基于納米材料結(jié)構(gòu)的LiFePO4/導電劑復合正極材料，并闡述其設計思路、預期優(yōu)勢以及可能面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.C4.B5.A6.C7.B8.C9.B10.C二、填空題1.頻率；電荷轉(zhuǎn)移過程；電阻2.比容量；倍率性能3.高比表面積；獨特的物理化學性質(zhì)4.活性；穩(wěn)定性；選擇性5.電壓；電流；時間三、簡答題1.解析思路：納米材料由于尺寸減小，表面積/體積比急劇增大，導致表面原子所占比例顯著增加。表面原子具有未飽和的鍵合狀態(tài)，活性更高。同時，量子尺寸效應可能改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，影響其導電性和電子態(tài)密度。這些因素共同作用，使其電化學反應活性、離子/電子傳輸速率等電化學性能與塊體材料相比發(fā)生顯著變化。2.解析思路：核殼結(jié)構(gòu)納米材料結(jié)合了核層和殼層的優(yōu)點。核層通常具有所需的催化活性或儲能位點，而殼層則可以提供物理保護，防止核層材料在苛刻的電化學環(huán)境（如氧化、溶解）中受到破壞，從而提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。此外，殼層還可以調(diào)節(jié)核層材料的電子態(tài)、改善其導電性或為離子提供額外的傳輸通道。3.解析思路：提高ORR催化劑性能的設計思路主要包括：①提高本征活性，即降低反應過電勢，這通常需要催化劑具有高電子親和能、合適的d帶中心等；②增強穩(wěn)定性，確保催化劑在長期運行和高電位下不被氧化或溶解；③提高選擇性，確保催化劑主要催化目標反應（4e-還原）而非副反應（2e-析氧）；④增加活性位點數(shù)量和可及性，通常通過納米化、形貌控制、載體設計等方式實現(xiàn)；⑤改善導電性，確保電子在催化劑和電極之間以及催化劑內(nèi)部能夠快速傳輸。四、論述題1.解析思路：納米材料在提高鋰離子電池倍率性能方面的作用機制主要體現(xiàn)在縮短鋰離子在電極材料中的擴散路徑和增大電極/電解質(zhì)接觸面積。納米材料（如納米顆粒、納米線、納米片）具有極高的比表面積，使得鋰離子能夠更快地到達活性位點，同時縮短了鋰離子在材料內(nèi)部的擴散距離。這使得電池在快速充放電（高倍率）時，仍能保持較高的電化學性能（如較高的充電/放電電流密度和較少的電壓衰減）。例如，將塊體LiFePO4納米化，可以顯著提高其倍率性能。2.解析思路：設計用于水分解制氫的高效電催化劑時，需要綜合考慮以下關鍵因素：①高本征活性：催化劑對析氫反應（HER）或析氧反應（OER）具有較低的過電勢，意味著在相同電位下能提供更高的電流密度，從而降低電解水所需的能量。這通常與催化劑的電子結(jié)構(gòu)、吸附能（如氫吸附能對于HER，*OH吸附能對于OER）密切相關。②高穩(wěn)定性：催化劑需要在堿性或酸性電解液中長時間運行而不發(fā)生明顯的溶解、氧化或結(jié)構(gòu)坍塌，以保證催化劑的壽命和經(jīng)濟性。③高選擇性：催化劑應優(yōu)先催化目標反應（HER或OER），抑制副反應（如析氧反應在HER條件下發(fā)生）。④高本征電導率：催化劑自身應具有良好的電子和離子導電性，以減少內(nèi)部電阻，提高能量轉(zhuǎn)換效率。⑤成本效益和可持續(xù)性：催化劑的制備成本應相對較低，且合成過程應綠色環(huán)保，考慮到過渡金屬資源有限性問題，開發(fā)非貴金屬或地球豐產(chǎn)元素催化劑具有重要意義。綜合考慮這些因素是為了設計出既能高效催化水分解反應，又具有實際應用潛力的電催化劑。五、材料設計題設計思路：將傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰（LiFePO4）納米顆粒與高導電性的碳材料（如石墨烯、碳納米管、碳纖維或?qū)щ娋酆衔铮┻M行復合。首先，將LiFePO4材料進行納米化處理，例如制備LiFePO4納米顆?；蚣{米片，以增大其比表面積，縮短鋰離子和電子的傳輸路徑，提高其本征電導率。然后，將LiFePO4納米顆粒均勻地分散在碳材料中，形成復合結(jié)構(gòu)。碳材料一方面可以作為導電網(wǎng)絡，有效連接分散的LiFePO4納米顆粒，提供低電阻的電子傳輸通道；另一方面，碳材料也可以作為鋰離子傳輸?shù)妮d體或緩沖層，緩解LiFePO4在充放電過程中的體積膨脹問題，并提供額外的活性位點或改善LiFePO4與電解質(zhì)的接觸。預期優(yōu)勢：這種復合結(jié)構(gòu)有望顯著提高LiFePO4正極材料的電導率、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。通過碳材料的導電網(wǎng)絡，可以降低電極的交流阻抗，使得電池在高電流密度下仍能保持較高的容量和較小的電壓衰減。納米化處理和復合結(jié)構(gòu)可以有效緩解LiFePO4的體積膨脹，提高其循環(huán)壽命。同時，碳材料