2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——電化學(xué)方法在燃料電池中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.在電化學(xué)過(guò)程中，電極-電解質(zhì)界面處發(fā)生離子濃度變化的現(xiàn)象，主要由下列哪個(gè)因素控制？A.電極電位B.溫度C.電解質(zhì)濃度D.擴(kuò)散速率2.對(duì)于可逆電化學(xué)體系，電極電位偏離平衡電位時(shí)，驅(qū)動(dòng)電極反應(yīng)發(fā)生的基本驅(qū)動(dòng)力是？A.過(guò)電勢(shì)B.電動(dòng)勢(shì)C.電化學(xué)勢(shì)差D.濃度差3.Tafel方程描述了電極反應(yīng)過(guò)電勢(shì)與哪個(gè)量之間的對(duì)數(shù)關(guān)系？A.電極電位B.交換電流密度C.擴(kuò)散電流密度D.電極反應(yīng)速率常數(shù)4.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，以下哪種物質(zhì)通常作為電極催化劑？A.硫酸B.氫氧化鉀C.鉑（Pt）D.氧化鋁（Al?O?）5.電化學(xué)阻抗譜（EIS）主要用于分析電化學(xué)體系的哪種特性？A.電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)B.電解質(zhì)導(dǎo)電性C.電極與電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻D.電極的催化活性6.在燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的主要功能是？A.傳導(dǎo)電子B.傳導(dǎo)質(zhì)子（H?）C.傳導(dǎo)氧離子（O2?）D.分離燃料和氧化劑7.燃料電池的功率密度通常用哪個(gè)物理量來(lái)衡量？A.能量密度B.功率輸出與電極表面積的比值C.熱效率D.電解質(zhì)膜的厚度8.線性掃描伏安法（LSV）通常用于測(cè)量電極過(guò)程的哪個(gè)重要參數(shù)？A.電極電位B.過(guò)電勢(shì)C.交換電流密度D.電極電容9.在燃料電池的陽(yáng)極反應(yīng)中，氫氣（H?）通常被氧化成？A.水分子（H?O）B.氫離子（H?）和電子（e?）C.氧離子（O2?）D.氧化產(chǎn)物（如CO?）10.電化學(xué)方法在燃料電池催化劑研究中，一個(gè)重要的應(yīng)用是？A.直接合成催化劑材料B.大規(guī)模生產(chǎn)催化劑C.定量評(píng)價(jià)催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性D.測(cè)量催化劑的機(jī)械強(qiáng)度二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題后橫線上）1.電化學(xué)電池中，電子通過(guò)外電路從______極流向______極。2.能斯特方程描述了可逆電極電位與______和______之間的關(guān)系。3.燃料電池的效率通常指______與______的比值。4.固體氧化物燃料電池（SOFC）通常使用______作為電解質(zhì)材料。5.電化學(xué)阻抗譜（EIS）通過(guò)分析交流阻抗隨______的變化，來(lái)研究電化學(xué)體系。6.在電化學(xué)方法中，計(jì)時(shí)電流法（TCA）常用于研究______過(guò)程。7.燃料電池中，電極的______和______是影響電池性能的關(guān)鍵因素。8.電化學(xué)沉積是一種利用______來(lái)制備電極材料的方法。9.在燃料電池的陰極反應(yīng)中，氧氣（O?）通常被還原成______。10.選擇合適的電化學(xué)方法進(jìn)行燃料電池性能評(píng)價(jià)，需要考慮______、______和______等因素。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述過(guò)電勢(shì)的形成原因及其在燃料電池中的影響。2.簡(jiǎn)述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的基本工作原理。3.簡(jiǎn)述電化學(xué)阻抗譜（EIS）在燃料電池故障診斷中的一種應(yīng)用。4.簡(jiǎn)述電化學(xué)方法在開(kāi)發(fā)新型燃料電池催化劑中的作用。四、計(jì)算題（共10分）在25℃下，某燃料電池的陽(yáng)極反應(yīng)為H?→2H?+2e?。已知該反應(yīng)的交換電流密度j?=10??A/cm2，活化過(guò)電勢(shì)η?=0.1V，濃差過(guò)電勢(shì)η?=0.05V。請(qǐng)計(jì)算當(dāng)陽(yáng)極電位相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電位為+0.2V時(shí)，該電極反應(yīng)的過(guò)電勢(shì)η總體是多少？五、論述題（共30分）論述電化學(xué)方法在理解與優(yōu)化固體氧化物燃料電池（SOFC）電極過(guò)程（如陰極氧還原反應(yīng)ORR）方面的作用。請(qǐng)從至少三個(gè)方面進(jìn)行闡述，并說(shuō)明每種方法的具體應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.C5.C6.B7.B8.C9.B10.C二、填空題1.正，負(fù)2.活度（或濃度），電極電位3.理論輸出能量，輸入的化學(xué)能（或燃料消耗）4.氧化鋯（或ZrO?）5.頻率（或交流電壓幅值）6.電化學(xué)沉積7.催化活性，電導(dǎo)率8.電極電位差（或過(guò)電勢(shì)）9.水分子（或H?O）10.測(cè)量目的，體系復(fù)雜性，可獲得信息三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：過(guò)電勢(shì)是指可逆電極電位與實(shí)際發(fā)生電極反應(yīng)時(shí)的電位之差。其形成原因是電極反應(yīng)涉及多個(gè)步驟（如吸附、表面反應(yīng)、脫附），這些步驟存在能量勢(shì)壘。此外，傳質(zhì)過(guò)程（離子在電解質(zhì)中遷移、反應(yīng)物在電極/電解質(zhì)界面擴(kuò)散）的阻力也會(huì)導(dǎo)致電位偏離平衡。在燃料電池中，過(guò)電勢(shì)的存在會(huì)增加所需的工作電壓，降低能量轉(zhuǎn)換效率。2.解析思路：PEMFC工作原理核心是在質(zhì)子交換膜兩側(cè)的電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并利用質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子。在陽(yáng)極，燃料（通常是氫氣）發(fā)生氧化反應(yīng)生成質(zhì)子和電子；在陰極，氧化劑（通常是空氣中的氧氣）得到來(lái)自外部電路的電子和來(lái)自陽(yáng)極通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子，發(fā)生還原反應(yīng)生成水。電子通過(guò)外部電路從陽(yáng)極流向陰極，形成電流，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。3.解析思路：EIS可通過(guò)分析電池在不同頻率交流信號(hào)激勵(lì)下的阻抗響應(yīng)，構(gòu)建阻抗譜圖。譜圖中的特征阻抗和相位角可以對(duì)應(yīng)到電池內(nèi)部的特定電阻和電容（如電解質(zhì)電阻、擴(kuò)散層電阻、歐姆接觸電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容等）。通過(guò)分析這些元件的大小和變化，可以診斷燃料電池的性能退化原因，如催化劑活性下降、膜電極界面密封性變差、電解質(zhì)膜干燥等。4.解析思路：電化學(xué)方法在催化劑開(kāi)發(fā)中可用于：1）評(píng)價(jià)已知催化劑的活性（如通過(guò)測(cè)量極化曲線確定交換電流密度或Tafel斜率）、選擇性和穩(wěn)定性（如通過(guò)循環(huán)伏安法、計(jì)時(shí)電流法研究催化劑在長(zhǎng)期運(yùn)行或不同條件下的表現(xiàn)）；2）篩選新型催化劑材料（如通過(guò)電化學(xué)合成或修飾現(xiàn)有材料）；3）原位表征催化劑在反應(yīng)條件下的結(jié)構(gòu)、形貌和電子態(tài)變化，以揭示其催化機(jī)理。四、計(jì)算題解析思路：總過(guò)電勢(shì)等于活化過(guò)電勢(shì)和濃差過(guò)電勢(shì)之和。當(dāng)電位超過(guò)平衡電位時(shí)，通常還需考慮濃差過(guò)電勢(shì)。根據(jù)給定條件，η_total=η?+η?=0.1V+0.05V=0.15V。五、論述題解析思路：論述需圍繞電化學(xué)方法如何幫助理解SOFC電極過(guò)程（特別是陰極ORR）展開(kāi)。至少?gòu)娜齻€(gè)方面切入：1）活性評(píng)價(jià)與催化劑篩選：電化學(xué)方法（如LSV、線性電位掃描伏安法LPV）可以在不同電位下測(cè)量陰極的極化曲線，通過(guò)計(jì)算極化曲線的斜率（Tafel斜率）得到交換電流密度，用于定量評(píng)價(jià)不同催化劑材料或同種材料不同制備方法對(duì)ORR的催化活性。結(jié)合計(jì)時(shí)電流法（TCA）可以評(píng)估反應(yīng)的擴(kuò)散控制程度和催化劑的穩(wěn)定性。2）反應(yīng)機(jī)理研究：原位電化學(xué)技術(shù)（如原位拉曼光譜結(jié)合電化學(xué)控制、電化學(xué)調(diào)制紅外光譜ECIR）可以在接近電池工作條件時(shí)，監(jiān)測(cè)電極表面反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物的化學(xué)狀態(tài)變化，結(jié)合非原位表征手段，幫助揭示ORR的具體反應(yīng)路徑（如直接路徑、析氫副反應(yīng)路徑）以及催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)