2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——可再生資源轉(zhuǎn)化為化學(xué)能源的研究進展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪種能源通常被視為不可再生能源？A.太陽能B.風能C.生物質(zhì)能D.地熱能2.在光催化水分解制氫過程中，光照的主要作用是：A.直接分解水分子B.提供反應(yīng)熱C.活化催化劑D.催化產(chǎn)生氧氣3.生物質(zhì)熱解的主要產(chǎn)物不包括：A.生物油B.氣化煤氣C.生物炭D.乙醇4.電化學(xué)水分解制氫中，增加電解液pH值通常有利于：A.陽極反應(yīng)B.陰極反應(yīng)C.降低能耗D.提高成本5.人工光合作用旨在模擬自然光合作用，其主要目標之一是：A.直接發(fā)電B.制備高附加值化學(xué)品C.提高風速D.增強地熱輸出6.與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物質(zhì)能的主要優(yōu)勢之一是：A.能量密度更高B.資源分布更廣C.環(huán)境友好性更好D.開采成本更低7.風能驅(qū)動化學(xué)轉(zhuǎn)化最直接的方式通常是：A.風力發(fā)電直接儲存B.風力驅(qū)動電解水制氫C.風力直接加熱反應(yīng)D.風力驅(qū)動光合作用8.燃料電池的核心部件是：A.電池外殼B.電解質(zhì)C.催化劑D.電流收集器9.在評估可再生能源轉(zhuǎn)化技術(shù)時，以下哪項指標通常不被優(yōu)先考慮？A.轉(zhuǎn)換效率B.系統(tǒng)成本C.能量密度D.環(huán)境影響10.近年來，發(fā)展高效穩(wěn)定催化劑對于推動可再生能源化學(xué)轉(zhuǎn)化至關(guān)重要的原因是：A.降低反應(yīng)溫度B.提高反應(yīng)選擇性C.延長催化劑使用壽命D.以上都是二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述光催化材料在可再生資源化學(xué)轉(zhuǎn)化中的基本作用。2.比較生物質(zhì)氣化和生物質(zhì)液化的主要區(qū)別。3.簡述電解水制氫過程中，選擇合適電極材料需要考慮的關(guān)鍵因素。4.人工光合作用研究面臨的主要科學(xué)挑戰(zhàn)有哪些？5.解釋什么是“協(xié)同轉(zhuǎn)化”策略，并舉例說明其在可再生能源利用中的意義。三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述提高可再生能源化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的主要途徑及其面臨的瓶頸。2.分析生物質(zhì)能大規(guī)模開發(fā)利用面臨的主要障礙，并提出可能的解決方案。3.探討氫能作為清潔能源載體的潛力和挑戰(zhàn)，并簡要說明其在能源體系中的潛在應(yīng)用場景。四、分析題（共15分）結(jié)合當前研究進展，分析電化學(xué)儲能技術(shù)（如鋰離子電池、水電解制氫等）在可再生能源并網(wǎng)和波動性管理中的作用、優(yōu)勢與局限性，并對其未來發(fā)展前景進行評價。試卷答案一、選擇題1.C解析：生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，屬于可再生資源。太陽能、風能、地熱能也均屬于可再生能源。不可再生能源是指短時間內(nèi)無法再生的能源，如化石燃料、核能等。2.C解析：光催化水分解制氫過程中，光能被光催化劑吸收，激發(fā)光生載流子（電子和空穴），這些載流子參與水分子分解，光的作用是提供驅(qū)動反應(yīng)所需的能量，活化催化劑是指光能激發(fā)載流子去活化催化劑以參與反應(yīng)，但光本身主要作用是提供能量。3.D解析：生物質(zhì)熱解是在缺氧或貧氧條件下熱分解生物質(zhì)，主要產(chǎn)物包括生物油（液態(tài)）、焦炭（固態(tài)，即生物炭）和氣化煤氣（氣態(tài)）。乙醇通常是通過生物質(zhì)發(fā)酵制得的，不屬于熱解的主要產(chǎn)物。4.B解析：在酸性介質(zhì)（較低pH）中，OH-濃度低，水電解陰極（還原反應(yīng)）受到抑制。在堿性介質(zhì)（較高pH）中，OH-濃度高，有利于OH-在陰極被還原生成H2，從而降低了過電位，提高了電解效率。5.B解析：人工光合作用旨在模擬植物光合作用，將太陽能、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為高能量的化學(xué)物質(zhì)（如葡萄糖、氫氣或燃料），其主要目標之一就是高效制備有價值的化學(xué)品或燃料。6.C解析：生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，其燃燒或轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的CO2理論上與生物質(zhì)生長過程中吸收的CO2相抵消，因此具有較好的環(huán)境友好性。其他選項并非其主要優(yōu)勢，化石燃料能量密度高但不可再生，生物質(zhì)能資源分布與開采成本相對復(fù)雜。7.B解析：風能可以通過風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，然后電能可用于電解水制氫，這是風能驅(qū)動化學(xué)轉(zhuǎn)化最常見和直接的方式。其他選項或不是主要方式，或效率較低。8.C解析：燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其核心部件是能夠傳導(dǎo)離子、使電子通過外部電路的電解質(zhì)。9.C解析：評估能源技術(shù)時，轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)成本、環(huán)境影響都是重要指標，直接關(guān)系到技術(shù)的經(jīng)濟可行性和可持續(xù)性。能量密度通常不是首要考慮因素，尤其是在化學(xué)轉(zhuǎn)化和儲存場景下。10.D解析：高效催化劑能顯著降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率和選擇性，并具有長久的穩(wěn)定性，是提升可再生能源轉(zhuǎn)化效率、降低成本、實現(xiàn)可持續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此以上都是重要原因。二、簡答題1.光催化材料在可再生資源化學(xué)轉(zhuǎn)化中的基本作用是利用其獨特的光學(xué)吸收特性吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對。這些高能量的載流子具有強氧化還原性，能夠參與催化反應(yīng)，驅(qū)動如水分解制氫、CO2還原、有機污染物降解等能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)化過程。同時，光催化劑本身也起到吸附反應(yīng)物、提供反應(yīng)活性位點以及分離和傳輸光生載流子以避免復(fù)合的作用。2.生物質(zhì)氣化是將生物質(zhì)在缺氧或部分缺氧條件下熱解，產(chǎn)生含有CO、H2、CH4等可燃氣體的混合燃氣，主要目的是獲得燃氣用于發(fā)電或供熱。生物質(zhì)液化則通過化學(xué)反應(yīng)（如費托合成、甲醇合成等）將生物質(zhì)或其熱解/氣化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料（如生物柴油、費托油、甲醇等），主要目的是獲得液體燃料。兩者的主要區(qū)別在于產(chǎn)物形態(tài)（氣體vs液體）和后續(xù)應(yīng)用方向，氣化側(cè)重于產(chǎn)氣，液化側(cè)重于產(chǎn)液態(tài)燃料。3.選擇合適的電解水制氫電極材料需要考慮：①極高的電催化活性，以降低析氫過電位，節(jié)省電能；②良好的穩(wěn)定性，包括化學(xué)穩(wěn)定性（抗腐蝕）、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗剝落）和長期運行穩(wěn)定性；③高的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性；④豐富的資源、低廉的成本和良好的生物相容性（若用于生物電解槽）；⑤易于制備和加工。4.人工光合作用研究面臨的主要科學(xué)挑戰(zhàn)包括：①光能高效捕獲與利用，如何設(shè)計寬帶吸收材料；②高量子效率和選擇性地將光能轉(zhuǎn)化為目標化學(xué)鍵（如C-H、C-C）；③模擬自然光合作用的復(fù)雜電荷轉(zhuǎn)移過程，抑制光生載流子復(fù)合；④開發(fā)廉價、穩(wěn)定、高效的多功能催化劑；⑤實現(xiàn)CO2等小分子底物的有效活化；⑥建立穩(wěn)定、可放大的人工光合作用反應(yīng)器系統(tǒng)。5.協(xié)同轉(zhuǎn)化策略是指將兩種或多種可再生能源（如太陽能、風能、生物質(zhì)能等）或可再生能源與不可再生能源（如化石能源）耦合，通過共享能量、物料或反應(yīng)平臺，實現(xiàn)能源的綜合利用和梯級利用，以提高整體能源利用效率、降低成本、增強系統(tǒng)靈活性和可靠性的一種策略。例如，利用太陽能或風能驅(qū)動電解水制氫，再將氫氣用于燃料電池發(fā)電或作為工業(yè)原料，或者將生物質(zhì)能發(fā)電與副產(chǎn)蒸汽結(jié)合用于其他工業(yè)過程，都體現(xiàn)了協(xié)同轉(zhuǎn)化的意義。三、論述題1.提高可再生能源化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的主要途徑包括：①開發(fā)新型高效低成本的光催化劑、電催化劑、熱催化劑等核心材料；②優(yōu)化反應(yīng)條件（如光照強度、波長、反應(yīng)溫度、壓力、pH值等）；③設(shè)計和構(gòu)建高效的多相催化體系、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)或器件（如光電器件、電化學(xué)器件）；④提升傳質(zhì)效率，減少反應(yīng)物和產(chǎn)物傳輸阻力；⑤優(yōu)化反應(yīng)路徑，提高目標產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率，抑制副反應(yīng)。面臨的瓶頸主要有：①材料科學(xué)瓶頸，高性能催化劑往往面臨成本高、穩(wěn)定性差、合成復(fù)雜等問題；②功率密度瓶頸，如何高效、低成本地將間歇性的可再生能源（如太陽能、風能）轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，并滿足高功率需求；③缺陷與機理瓶頸，對復(fù)雜反應(yīng)體系的微觀機理認識不清，難以指導(dǎo)催化劑和反應(yīng)器的精準設(shè)計；④成本與產(chǎn)業(yè)化瓶頸，將實驗室高效技術(shù)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模、低成本的工業(yè)化應(yīng)用仍面臨巨大挑戰(zhàn)。2.生物質(zhì)能大規(guī)模開發(fā)利用面臨的主要障礙包括：①收集與運輸成本高，特別是對于分散的農(nóng)林廢棄物，收集運輸?shù)慕?jīng)濟性是關(guān)鍵；②技術(shù)成熟度和穩(wěn)定性有待提高，部分技術(shù)（如生物燃料）的效率、成本和環(huán)境影響仍需改善；③市場機制與政策支持不足，缺乏長期穩(wěn)定的政策激勵和市場準入機制；④土地占用與糧食安全沖突，尤其是在發(fā)展生物燃料時，如何保障糧食安全是一個重要關(guān)切；⑤農(nóng)村勞動力結(jié)構(gòu)變化，傳統(tǒng)生物質(zhì)（如秸稈）利用習(xí)慣改變；⑥缺乏綜合利用體系，未能充分挖掘生物質(zhì)的多重價值?？赡艿慕鉀Q方案包括：①開發(fā)更高效、低成本的收集、運輸和處理技術(shù)；②加強技術(shù)研發(fā)，降低生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用范圍；③完善政策法規(guī)和市場機制，提供財政補貼、稅收優(yōu)惠等支持；④推廣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)生物質(zhì)能源、化學(xué)品、飼料等的綜合利用；⑤探索非糧生物質(zhì)（如藻類、纖維素）的開發(fā)利用途徑，緩解與糧食安全的矛盾；⑥加強農(nóng)村能源體系建設(shè)，結(jié)合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略推動生物質(zhì)能的本地化利用。3.氫能作為清潔能源載體的潛力在于：①燃燒產(chǎn)物僅為水，零碳排放，環(huán)境友好；②能量密度高，便于儲存和運輸（高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)）；③應(yīng)用范圍廣，可作為燃料電池的燃料發(fā)電、工業(yè)原料（合成氨、甲醇、石油煉化添加劑等）、交通動力的能源（氫燃料電池汽車）；④可作為儲能介質(zhì)，解決可再生能源發(fā)電的波動性問題，實現(xiàn)“發(fā)用分離”。面臨的挑戰(zhàn)主要有：①制氫成本高，目前大部分氫氣仍依賴化石燃料重整，綠氫（可再生能源制氫）成本仍較高；②儲運技術(shù)瓶頸，氫氣密度低，儲運成本高，安全要求高；③應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施不完善，氫燃料加注站、燃料電池等配套基礎(chǔ)設(shè)施缺乏；④技術(shù)集成與標準化問題，如燃料電池系統(tǒng)壽命、耐久性、成本等仍需提升，缺乏統(tǒng)一標準；⑤能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型復(fù)雜性，大規(guī)模氫能應(yīng)用需要能源、交通、工業(yè)等多個領(lǐng)域的協(xié)同變革。氫能在能源體系中的潛在應(yīng)用場景包括：①交通運輸領(lǐng)域，替代傳統(tǒng)燃油，應(yīng)用于汽車、船舶、航空等；②工業(yè)領(lǐng)域，替代化石燃料作為原料或燃料，用于鋼鐵、化工等行業(yè)脫碳；③儲能領(lǐng)域，作為大規(guī)模、長時儲能介質(zhì)，平滑可再生能源波動；④建筑領(lǐng)域，作為分布式能源或區(qū)域供能的載體；⑤發(fā)電領(lǐng)域，用于燃氣輪機摻氫或純氫燃燒發(fā)電。四、分析題電化學(xué)儲能技術(shù)（如鋰離子電池、水電解制氫等）在可再生能源并網(wǎng)和波動性管理中扮演著重要角色。其優(yōu)勢在于：①響應(yīng)速度快，可以快速充放電，有效平抑可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性；②技術(shù)相對成熟，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用，水電解制氫技術(shù)也在不斷發(fā)展；③對環(huán)境友好，特別是水電解制氫產(chǎn)生的氫氣可用于零排放的燃料電池發(fā)電；④鋰離子電池能量密度高，適合短時儲能；水電解制氫則可以實現(xiàn)長時儲能。局限性在于：①成本問題，高性能電化學(xué)儲能系統(tǒng)（特別是鋰離子電池）成本仍然較高；②鋰資源依賴和供應(yīng)鏈安全，鋰離子電池對鋰資源有較高依賴；③水電解制氫需要消耗大量水資源，可能存在環(huán)境制約；④儲能