2025年大學《化學》專業(yè)題庫——無機化學在新能源材料中的發(fā)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括號內(nèi)。）1.下列哪種晶體缺陷的增大通常會降低離子導電性？（）A.空位B.位錯C.堆垛層錯D.替代式雜質(zhì)2.在設計和合成鋰離子電池正極材料時，通常希望其具有高放電平臺電壓。從無機化學原理考慮，以下哪種結(jié)構(gòu)特征的氧化物或硫化物更有可能實現(xiàn)較高的放電平臺？（）A.具有高對稱性、低離子遷移能壘的晶格B.含有大量可變價態(tài)金屬離子且易于發(fā)生價態(tài)變化的材料C.具有高比表面積但缺乏穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)的材料D.晶格中存在大量易于移動的陰離子3.鈣鈦礦太陽能電池（如ABX?型）的光電轉(zhuǎn)換效率高，其關鍵因素之一是材料具有合適的帶隙寬度。根據(jù)能帶理論，以下說法錯誤的是？（）A.帶隙寬度太大會吸收太陽光效率低B.帶隙寬度太小會導致開路電壓低C.過渡金屬元素的d-d電子躍遷可以調(diào)節(jié)材料的帶隙寬度D.穩(wěn)定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)本身對帶隙寬度沒有影響4.對于用于析氧反應（OER）的電催化劑，以下哪種性能不是特別期望的？（）A.高過電位B.快的催化反應速率C.高選擇ivityD.良好的化學穩(wěn)定性5.水熱合成法常被用于制備具有特定形貌和尺寸的無機納米材料，其主要優(yōu)勢在于？（）A.可以在常壓下高溫合成B.設備簡單，成本低廉C.易于精確控制產(chǎn)物的形貌和尺寸D.合成過程對環(huán)境友好6.下列哪種元素或其化合物通常不作為燃料電池的催化劑？（）A.鉑（Pt）B.鈷（Co）C.磷（P）D.鉑鋯合金（Pt-Zr）7.在設計鈉離子電池負極材料時，除了考慮高容量外，還需要關注？（）A.高電壓平臺B.良好的循環(huán)穩(wěn)定性C.與電解液的相容性D.高倍率性能8.配位化學在電催化領域扮演重要角色，例如設計鉑基合金催化劑。以下哪種效應有助于提高非貴金屬（如鎳、鐵）基催化劑的氧還原反應（ORR）活性？（）A.魯賓斯坦效應B.法揚斯效應C.惰性效應D.沃爾默效應9.下列哪種儲能方式主要利用鋰離子在正負極材料晶格中的嵌入/脫嵌過程？（）A.飛輪儲能B.超級電容器C.鋰離子電池D.鈉硫電池10.從熱力學角度看，一種物質(zhì)自發(fā)發(fā)生氧化還原反應成為電催化劑的條件是？（）A.反應的吉布斯自由能變ΔG>0B.反應的吉布斯自由能變ΔG<0C.反應的焓變ΔH>0D.反應的熵變ΔS<0二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.鈦酸鋰（LiFePO?）是一種鋰離子電池正極材料，其中鐵元素通常以__________價態(tài)存在，磷元素通常以__________價態(tài)存在。2.用于制備固體氧化物燃料電池（SOFC）的電解質(zhì)材料，需要在高溫下具有高離子電導率，通常選擇__________型或__________型化合物。3.配位化合物[Fe(CN)?]3?和[Fe(CN)?]??分別具有__________和__________磁性。4.在太陽能電池中，光生電子-空穴對若要被有效利用，需要克服__________能壘。5.氫燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的關鍵作用是允許質(zhì)子（H?）通過，同時阻止電子和氫氣的通過。6.影響無機材料離子導電性的主要因素包括離子電荷、離子半徑、晶格能以及__________。7.基于配位化學原理，通過調(diào)節(jié)配體種類可以改變中心金屬離子的__________和__________。8.硅（Si）是半導體材料，其帶隙寬度約為1.1eV，這意味著它主要吸收__________（波長范圍）的光子。9.設計高效電催化劑時，除了考慮本征活性，還需要關注其__________和__________。10.無機固體的缺陷（如空位、填隙原子）可以顯著影響其物理化學性質(zhì)，例如__________和__________。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述配位化合物內(nèi)界和外界的區(qū)別。2.為什么說發(fā)展非貴金屬電催化劑是新能源材料領域的重要研究方向？3.簡述水熱合成法與普通溶劑熱合成法的主要區(qū)別。4.解釋什么是鋰離子電池的“過充”現(xiàn)象及其可能帶來的危害。四、計算題（共10分。）已知某金屬配合物[MCl?(NO?)]2?的穩(wěn)定常數(shù)為6.8×10?，計算該配合物在0.1mol/LCl?和0.1mol/LNO??的溶液中，金屬離子M2?的平衡濃度（假設Cl?和NO??不發(fā)生水解，且M2?、Cl?、NO??的初始濃度均為xmol/L，配合物離解時M2?與Cl?、NO??的摩爾比分別為1:5和1:1）。五、論述題（共30分。）以鈣鈦礦太陽能電池（ABX?型）為例，結(jié)合無機化學原理，論述其工作原理、關鍵材料的選擇依據(jù)（結(jié)構(gòu)、組分）、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的改進方向。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.D4.A5.C6.C7.B8.B9.C10.B二、填空題1.2；52.氧化物；硅酸鹽3.抗磁；順磁4.能帶5.質(zhì)子傳導6.晶格結(jié)構(gòu)（或點陣結(jié)構(gòu)）7.顏色；磁性質(zhì)8.紫外-可見（或UV-Vis）9.本征活性；穩(wěn)定性10.導電性；光學性質(zhì)三、簡答題1.內(nèi)界是指配合物中心離子（或原子）與配體直接形成的配位鍵部分；外界是指配體之外的、處于溶液或固體晶格中的離子或溶劑分子。2.鉑（Pt）等貴金屬催化劑雖然活性高，但成本高昂，限制了其大規(guī)模應用。開發(fā)性能優(yōu)異的非貴金屬催化劑可以顯著降低成本，推動新能源技術的經(jīng)濟可行性，具有重要的科學意義和產(chǎn)業(yè)價值。3.水熱合成法通常在高溫（>100°C）和高壓（>1atm）的密閉容器中進行，利用水作為溶劑；普通溶劑熱合成法雖然也需要加熱，但壓力通常接近常壓，溶劑可以是水或有機溶劑等。4.過充是指鋰離子電池在充電過程中電壓超過其正常上限。這會導致電解液分解產(chǎn)生氣體，使電池膨脹甚至爆炸；同時可能形成鋰金屬枝晶，刺穿隔膜導致短路，嚴重時引發(fā)熱失控。四、計算題設金屬離子M2?的平衡濃度為ymol/L，則配合物[MCl?(NO?)]2?的濃度為ymol/L，消耗的Cl?濃度為5ymol/L，消耗的NO??濃度為ymol/L。平衡時，[Cl?]=(0.1-5y)mol/L，[NO??]=(0.1-y)mol/L。配合物離解平衡：[MCl?(NO?)]2??M2?+5Cl?+NO??平衡常數(shù)表達式K=[M2?][Cl?]?[NO??]/[[MCl?(NO?)]2?]=[y][(0.1-5y)?(0.1-y)]/y=(0.1-5y)?(0.1-y)近似處理：由于K值較大，平衡時y不會很小，但(0.1-5y)和(0.1-y)接近0.1，假設5y<<0.1且y<<0.1，則K≈(0.1)?(0.1)=10??但此近似導致K值過小，與題目給定的6.8×10?矛盾。需解方程：(0.1-5y)?(0.1-y)=6.8×10?*y由于K值很大，說明平衡強烈傾向于生成配合物，即y值應很小。嘗試更精確近似：0.1-5y≈0.1，0.1-y≈0.1(0.1)?(0.1)=6.8×10?*y=>10??=6.8×10?*y=>y=10??/6.8×10?≈1.47×10?1?mol/L此結(jié)果y值極小，說明上述近似合理。最終結(jié)果：金屬離子M2?的平衡濃度約為1.47×10?1?mol/L。五、論述題鈣鈦礦太陽能電池（ABX?型，理想化學式）基于ABX?結(jié)構(gòu)（鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，立方晶系，空間群Pm-3m）。其工作原理基于光生載流子的分離和傳輸。當太陽光照射到鈣鈦礦層時，光子能量被吸收，若能量大于材料的帶隙寬度（Eg），則激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材料具有各向異性或通過能帶工程調(diào)控，光生電子和空穴傾向于向材料表面或不同能帶區(qū)域遷移。在p-n結(jié)或內(nèi)建電場的作用下，電子和空穴被分離，分別流向電極（電子到負極，空穴到正極），形成光電流，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。關鍵材料的選擇依據(jù)：1）合適的帶隙寬度（Eg）是核心，太寬吸收光弱，太窄對長波輻射利用不充分，理想Eg約為1.34eV；2）高光吸收系數(shù)，要求吸收厚度盡可能??；3）長載流子壽命和遷移率，確保光生載流子能高效分離并傳輸?shù)诫姌O；4）良好的穩(wěn)定性和化學惰性，特別是對濕氣和氧氣的穩(wěn)定性，以延長器件壽命；5）易于制備且成本低廉。組分選擇上，A位通常是金屬陽離子（如Ti??,Nb??,Zr??,Hf??），B位通常是較大的陽離子（如Cs?,Rb?,K?,NH??,Pb2?,Sn2?,Ga3?），X位通常是鹵素陰離子（Cl?,Br?,I?）。不同元素的選擇會顯著影響材料的帶隙、光學、電學和穩(wěn)定性。面臨的挑戰(zhàn)