2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——功能化石墨烯在電池中的應(yīng)用研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種方法不屬于石墨烯的主要制備方法？A.機(jī)械剝離法B.氧化還原法C.化學(xué)氣相沉積法D.熱解法2.氧化石墨烯（GO）與還原氧化石墨烯（rGO）相比，其主要區(qū)別在于：A.rGO具有更高的比表面積B.GO含有大量的含氧官能團(tuán)C.rGO的導(dǎo)電性更好D.GO的制備成本更高3.在功能化石墨烯中，通過引入非金屬元素（如N,B,S）進(jìn)行摻雜，主要目的是：A.增加材料的含氧量B.提高材料的機(jī)械強(qiáng)度C.調(diào)節(jié)材料的電子結(jié)構(gòu)，改善導(dǎo)電性或催化活性D.增大材料的比表面積4.下列哪種材料通常被用作鋰離子電池的負(fù)極材料？A.二氧化錳（MnO2）B.磷酸鐵鋰（LiFePO4）C.石墨或鋰金屬D.三元材料（如NCM）5.功能化石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池正極，其主要作用之一是：A.提供大量的鋰離子存儲位點(diǎn)B.構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電子傳輸速率C.作為離子導(dǎo)體D.緩解正極材料的體積膨脹6.雙電層超級電容器（EDLC）利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積來儲存能量，其儲能機(jī)理主要是：A.酸堿反應(yīng)B.法拉第準(zhǔn)電容過程C.電化學(xué)反應(yīng)嵌入/脫出離子D.電雙層形成7.下列哪種現(xiàn)象是功能化石墨烯基復(fù)合電極材料在電池循環(huán)過程中面臨的主要挑戰(zhàn)之一？A.高倍率性能B.容量快速衰減C.長循環(huán)穩(wěn)定性差D.高能量密度8.在功能化石墨烯的制備過程中，氧化步驟通常使用哪些試劑（或之一）？A.硫酸B.高錳酸鉀C.王水D.以上都是9.將金屬或氧化物納米顆粒負(fù)載到石墨烯表面進(jìn)行功能化，其主要目的是：A.增加材料的重量B.提供更多的活性位點(diǎn)，或作為導(dǎo)電劑C.降低材料的比表面積D.改善材料的疏水性10.提高功能化石墨烯在電池中應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素之一是：A.降低材料的制備成本B.優(yōu)化材料與電解液的界面相容性C.減小材料的比表面積D.提高材料的機(jī)械脆性二、填空題（每空1分，共15分）1.石墨烯是由碳原子以________方式連接而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)單層材料。2.氧化石墨烯（GO）通常通過強(qiáng)氧化劑氧化天然石墨，引入大量的________和________官能團(tuán)。3.還原氧化石墨烯（rGO）是通過還原氧化石墨烯上的含氧官能團(tuán)，以恢復(fù)或部分恢復(fù)其________，并改善其導(dǎo)電性的過程。4.功能化石墨烯可以通過________、________、________等方法進(jìn)行改性，以獲得特定的性能。5.在鋰離子電池中，功能化石墨烯作為負(fù)極材料時，可以通過________和________來提高鋰離子傳輸速率和降低電接觸電阻。6.除了用于鋰離子電池，功能化石墨烯在________離子電池和________電容器中也有廣泛的應(yīng)用研究。7.功能化石墨烯基電極材料循環(huán)穩(wěn)定性差的原因可能包括________、________和________等因素。8.石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性主要來源于其碳碳σ鍵的________以及π電子離域形成的________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述氧化還原法制備還原氧化石墨烯（rGO）的基本原理。2.解釋官能團(tuán)（如含氧官能團(tuán)）的引入對石墨烯導(dǎo)電性的影響。3.說明功能化石墨烯如何通過增大比表面積來提高電池的容量？4.分析功能化石墨烯在超級電容器中作為電極材料的主要優(yōu)勢。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述氮摻雜石墨烯（NG）在鋰離子電池負(fù)極應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢及其可能的作用機(jī)制。2.以石墨烯/金屬氧化物（如Co3O4）復(fù)合電極為例，分析其協(xié)同效應(yīng)如何提升鋰離子電池的電化學(xué)性能？3.討論功能化石墨烯應(yīng)用于電池時可能面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的應(yīng)對策略或研究方向。試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.D2.B3.C4.C5.B6.D7.C8.D9.B10.B二、填空題（每空1分，共15分）1.蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)2.羧基；酯基3.導(dǎo)電性4.氧化還原；元素?fù)诫s；負(fù)載5.降低電荷轉(zhuǎn)移電阻；構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)6.鈉；超級7.材料結(jié)構(gòu)破壞；離子穿梭阻抗增加；電解液副反應(yīng)8.高導(dǎo)電率；離域π電子三、簡答題（每題5分，共20分）1.氧化還原法通常先使用強(qiáng)氧化劑（如濃硫酸、高錳酸鉀等）處理天然石墨，使其表面和邊緣被氧化，引入含氧官能團(tuán)，形成氧化石墨烯（GO）。GO分子間因范德華力作用堆疊較緊密，層間有較強(qiáng)的氫鍵或偶極-偶極相互作用，導(dǎo)致其導(dǎo)電性極低。隨后，通過使用還原劑（如水合肼、還原性溶劑、金屬等）或熱還原等方法，選擇性地將GO上的含氧官能團(tuán)（如羧基、環(huán)氧基、羥基等）還原去除或轉(zhuǎn)化，使得石墨烯層間的堆疊距離減小或恢復(fù)，同時碳碳sp2雜化程度提高，從而恢復(fù)或顯著提升其導(dǎo)電性，得到還原氧化石墨烯（rGO）。2.含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基、環(huán)氧基、酮基等）具有極性，其引入會增加石墨烯片層的極性，使得片層間范德華力增強(qiáng)，導(dǎo)致片層堆疊更加緊密。這種緊密堆疊會阻礙電子在碳原子之間的遷移路徑，增加電子隧穿電阻，從而降低石墨烯的整體導(dǎo)電性。此外，這些官能團(tuán)也可能占據(jù)部分本可用于電子傳輸?shù)摩须娮与x域軌道，進(jìn)一步削弱導(dǎo)電性。3.電池的容量與其電極材料的比表面積和電極/電解液接觸面積密切相關(guān)。石墨烯具有極高的比表面積（理論值可達(dá)2630m2/g）。通過功能化手段（如氧化增加缺陷位點(diǎn)、摻雜引入雜原子、負(fù)載納米顆粒等），可以在一定程度上進(jìn)一步提高石墨烯的比表面積或有效比表面積。更大的比表面積意味著電極材料能夠提供更多的活性位點(diǎn)（對于可逆反應(yīng)）或更高的電解液浸潤面積（對于雙電層電容），從而在單位質(zhì)量或單位體積的電極材料上能夠存儲更多的電荷，即提高電池的理論容量。4.功能化石墨烯作為超級電容器電極材料的主要優(yōu)勢包括：①極高的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，提供了大量的電荷存儲位點(diǎn)，有利于提高超級電容器的容量；②優(yōu)異的導(dǎo)電性，無論是自身還是通過構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，都能確保電荷快速、高效地傳輸，從而提高超級電容器的倍率性能和功率密度；③良好的機(jī)械柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，有助于提高超級電容器的循環(huán)壽命和長期運(yùn)行的可靠性；④相對輕質(zhì)，有助于降低器件的整體重量。四、論述題（每題10分，共30分）1.氮摻雜石墨烯（NG）在鋰離子電池負(fù)極應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢主要在于：首先，氮原子（N）的雜化方式（sp2或sp3）和電負(fù)性與碳原子不同，可以取代石墨烯層中的碳原子，形成氮雜原子團(tuán)（如吡啶氮N、吡咯氮N、石墨相氮N-G等）。這些氮雜原子可以通過孤對電子與鋰離子發(fā)生配位作用，從而在石墨烯表面或邊緣位點(diǎn)形成穩(wěn)定的“氮存儲位點(diǎn)”，這些位點(diǎn)可以作為鋰離子的額外吸附位點(diǎn)或緩沖位點(diǎn)，有助于抑制鋰金屬負(fù)極在嵌鋰過程中的枝晶生長，提高安全性。其次，氮摻雜可以引入缺陷，破壞石墨烯的完美晶格結(jié)構(gòu)，形成更多的邊緣位點(diǎn)和缺陷態(tài)，這些位點(diǎn)同樣可以作為鋰離子的存儲位點(diǎn)，并可能改變石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其與鋰離子的相互作用能。再者，適量的氮摻雜（尤其是吡啶氮和石墨相氮）可以在石墨烯表面引入一定的極性，有助于改善石墨烯與電解液的相互作用，降低界面阻抗，從而提高鋰離子傳輸速率和倍率性能。此外，氮摻雜還能在一定程度上提高石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗氧化能力。綜合來看，氮摻雜通過引入氮存儲位點(diǎn)、調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)、改善界面相容性和提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多種機(jī)制，協(xié)同提升鋰離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能，特別是循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。2.石墨烯/金屬氧化物（如Co3O4）復(fù)合電極的協(xié)同效應(yīng)主要體現(xiàn)在以下幾個方面，從而提升鋰離子電池的電化學(xué)性能：①結(jié)構(gòu)協(xié)同：石墨烯具有二維平面結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性，可以作為理想的導(dǎo)電基底，將尺寸通常較小的金屬氧化物納米顆粒均勻分散在其表面，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這不僅可以確保電子在電極內(nèi)部的高效傳輸，減少電子阻抗，還能為活性物質(zhì)提供機(jī)械支撐，抑制其在充放電過程中的團(tuán)聚和粉化，從而提高電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。②電容協(xié)同：石墨烯本身具有雙電層電容特性，而金屬氧化物（如Co3O4）通常具有較高的法拉第贗電容活性。復(fù)合電極中，石墨烯的雙電層電容和金屬氧化物的贗電容可以同時貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)混合電容儲能機(jī)制，從而可能獲得比單一電極材料更高的總比容量和更寬的電壓窗口。③活性位點(diǎn)協(xié)同：金屬氧化物納米顆粒負(fù)載在石墨烯表面，可以暴露更多的活性位點(diǎn)，同時石墨烯的高比表面積也為活性物質(zhì)的負(fù)載提供了更多空間，使得單位質(zhì)量或單位體積的電極材料能夠提供更多的鋰離子存儲位點(diǎn)。④電子/離子傳輸協(xié)同：石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性極大地促進(jìn)了電子的快速傳輸，而石墨烯的高比表面積和大的孔隙結(jié)構(gòu)有利于電解液離子的快速傳輸，縮短了鋰離子的擴(kuò)散路徑，從而顯著提升了電極的倍率性能。⑤界面協(xié)同：石墨烯的存在可以改善金屬氧化物與電解液之間的界面相容性，降低界面電阻，有利于鋰離子的有效嵌入和脫出。3.功能化石墨烯應(yīng)用于電池時可能面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①成本高昂：許多功能化方法（如氧化、摻雜、負(fù)載貴金屬等）工藝復(fù)雜，需要昂貴的試劑或設(shè)備，導(dǎo)致最終材料的生產(chǎn)成本過高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。②均勻性與穩(wěn)定性：在功能化過程中，如何確保官能團(tuán)或負(fù)載物在石墨烯表面均勻分布，以及功能化石墨烯在電池充放電循環(huán)的惡劣環(huán)境（高電壓、大電流、酸堿介質(zhì)、溫度變化）下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能保持性，是巨大的挑戰(zhàn)。不均勻可能導(dǎo)致局部電化學(xué)活性過高或?qū)щ娦韵陆?，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定則會導(dǎo)致容量快速衰減和電極粉化。③規(guī)模化制備：目前許多先進(jìn)的功能化石墨烯制備方法仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，難以穩(wěn)定、高效地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，且難以精確控制材料的結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)。④與電解液的相容性：引入的功能基團(tuán)或負(fù)載的納米顆?？赡芘c電解液發(fā)生不良反應(yīng)（如副反應(yīng)、形成界面阻抗層），影響電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命。⑤安全風(fēng)險(xiǎn)：某些功能化石墨烯（如高度氧化的GO、含有易燃官能團(tuán)的材料）或其復(fù)合材料可能存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，例如在過充或高溫下可能發(fā)生劇烈反應(yīng)。應(yīng)對策略或研究方向：①開發(fā)低成本、綠色、高效的制備方法，如利用生物質(zhì)資源、改進(jìn)氧化還原工藝、探索原位功能化策略等。②通過理論計(jì)