2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——電催化技術在能源儲存中的實際性應用考試時間：______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后的括號內）1.在水電解制氫過程中，析氧反應（OER）通常發(fā)生在電勢較正的區(qū)域，其主要副反應是（）。A.H?O+e?→OH?+H?B.2H?O+2e?→H?+2OH?C.2H?+2e?→H?D.O?+2H?O+4e?→4OH?2.對于電催化反應，Tafel斜率越小，通常表示（）。A.催化劑活性越低B.活化能越低C.反應速率越慢D.過電位越高3.下列哪種材料通常被認為是高效析氫反應（HER）的理想催化劑？（）A.鈦酸鋇（BaTiO?）B.銀石墨（Ag-G）C.鉑（Pt）D.三氧化二鋁（Al?O?）4.在質子交換膜燃料電池（PEMFC）中，電催化劑主要分布在（）。A.陽極室B.陰極室C.膜電極組件（MEA）的催化層D.電解質膜5.電催化氧化水生成氧氣的過程中，常用的貴金屬催化劑是（）。A.鈀（Pd）B.銀（Ag）C.鉑（Pt）D.鎳（Ni）6.影響電催化反應選擇性的關鍵因素之一是（）。A.催化劑的比表面積B.溶液的pH值C.電極與電解質的接觸界面狀態(tài)D.以上所有因素7.下列哪種技術常用于原位表征電催化劑在反應條件下的結構變化？（）A.X射線衍射（XRD）B.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）C.原位X射線吸收譜（in-situXAS）D.掃描電子顯微鏡（SEM）8.在用于電解水制氫的堿性電解槽中，常用的非貴金屬氧析出反應（OER）催化劑是（）。A.釕（RuO?）B.銥（IrO?）C.鎳鈷氧化物（NiCo?O?）D.鈷磷合金（Co-Ph）9.電催化劑的“穩(wěn)定性”通常指其在（）方面的表現(xiàn)。A.循環(huán)伏安掃描下的響應B.長時間運行或多次循環(huán)后的結構和性能保持C.不同溫度下的活性D.對電解質腐蝕的抵抗能力10.電催化還原二氧化碳（CO?RR）的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.CO?在電極表面的吸附能過高B.產物選擇性難以控制C.需要在非常高的電位下進行D.催化劑的成本過高二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后的橫線上）1.電催化反應通常涉及______、______和______等基本步驟。2.提高電催化反應速率的主要途徑包括______和______。3.電催化劑的活性可以通過______、______和______等物理量來評價。4.電極過程動力學通常用______方程和______方程來描述。5.在質子交換膜燃料電池中，陰極發(fā)生的電催化反應是______。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述電催化反應與簡單化學反應的主要區(qū)別。2.簡述提高電催化催化劑選擇性的常用策略。3.簡述電催化反應中過電位的意義。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述貴金屬催化劑在電催化領域應用廣泛的原因，并分析其主要的局限性。2.結合實際應用，論述發(fā)展高效、穩(wěn)定、低成本的非貴金屬電催化劑的重要性及面臨的挑戰(zhàn)。五、計算題（共15分）在25°C下，某電催化劑用于析氫反應（HER），測得線性掃描伏安法（LSV）的Tafel斜率為120mV/decade。已知標準氫電極電位（SHE）為0V。若該催化劑在電位為-0.2V(vs.SHE)時，測得電流密度為10mA/cm2。請計算：（1）該催化劑的活化能（假設傳遞步驟是速率控制步驟，電子轉移數n=2，F(xiàn)araday常數F=96485C/mol，氣體常數R=8.314J/(mol·K)）。（2）若要使該催化劑在析氫過電位為100mV時工作，理論上需要施加的電位（vs.SHE）是多少？試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.D7.C8.C9.B10.B二、填空題1.吸附，活化，脫附2.優(yōu)化催化劑結構，優(yōu)化反應介質和條件3.標準電極電位，過電位，電流密度4.電流密度，電位5.四線氧還原反應（OxygenReductionReaction）三、簡答題1.解析思路：電催化反應是在電極表面發(fā)生，涉及電子轉移和物質吸附/脫附的表面過程，其速率和選擇性受電極電位、催化劑表面性質等因素調控。而簡單化學反應通常在溶液或氣相中發(fā)生，速率主要受溫度、濃度、催化劑等一般因素影響，不涉及電極界面。2.解析思路：提高選擇性可以通過改變催化劑的表面電子結構（如摻雜、表面修飾）、調控催化劑的組成和結構（如合金化、形貌控制）、優(yōu)化反應介質（如添加添加劑）或施加特定的電極電位來引導反應向期望的路徑進行。3.解析思路：過電位是指驅動電催化反應（尤其是非自發(fā)反應）達到宏觀可覺察電流密度所需的額外電位差。它反映了克服反應活化能壘以及克服其他阻力（如濃差極化、電荷轉移電阻）所需的能量，是衡量催化劑性能和應用效率的重要指標。四、論述題1.解析思路：原因：貴金屬（如Pt）具有優(yōu)異的電子結構和表面性質，能提供合適的吸附能以降低反應活化能，且通常具有較好的穩(wěn)定性和較寬的電位窗口。局限性：價格昂貴，資源稀缺，易發(fā)生中毒（如CO?、硫醇等吸附物覆蓋活性位點），長期運行穩(wěn)定性有待提高。2.解析思路：重要性：降低成本是推動電催化技術大規(guī)模應用的關鍵；提高穩(wěn)定性是確保器件長期可靠運行的基礎；非貴金屬催化劑的開發(fā)有助于資源可持續(xù)利用。挑戰(zhàn)：非貴金屬自身電導率、本征活性和穩(wěn)定性通常低于貴金屬；活性位點結構和電子性質調控難度大；需要新的合成方法和表征手段；在實際工況下的長期穩(wěn)定性驗證。五、計算題（1）解析思路：根據Tafel方程斜率表達式η=b*log(i)+b'，其中b=(RT/nF)*ln(2)，可求得活化能E_a=b*nF/R。將已知數值代入計算。計算：b=(8.314J/(mol·K)*298K/(2*96485C/mol))*ln(2)≈0.121VE_a=0.121V*2*96485C/mol/8.314J/(mol·K)≈28.3kJ/mol