2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——金屬有機框架材料的氣敏性質(zhì)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪一種化學(xué)鍵通常不作為構(gòu)成金屬有機框架（MOFs）基本結(jié)構(gòu)單元的連接方式？A.共價鍵B.范德華力C.配位鍵D.離子鍵2.當(dāng)MOF材料吸附小分子氣體時，主要利用其孔道內(nèi)的自由空間，這種吸附過程主要體現(xiàn)為：A.化學(xué)吸附B.物理吸附C.酸堿吸附D.氧化還原吸附3.提高MOF材料比表面積，通常對其氣體吸附能力和氣敏靈敏度有何影響？A.降低吸附能力和靈敏度B.提高吸附能力，但對靈敏度無影響C.對吸附能力影響不大，但提高靈敏度D.提高吸附能力和靈敏度4.下列哪種表征技術(shù)最適合用于測定MOF材料的比表面積和孔體積？A.X射線衍射（XRD）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.比表面積及孔徑分析儀（通常基于N2吸附-脫附等溫線）D.核磁共振波譜（NMR）5.如果希望設(shè)計的MOF材料對酸性氣體（如CO2）具有更高的選擇性，在設(shè)計時應(yīng)該優(yōu)先考慮引入哪種類型的活性位點？A.堿性金屬離子B.芳香環(huán)結(jié)構(gòu)C.路易斯酸位點（如金屬中心）D.離子液體客體6.MOF材料的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境對其氣敏選擇性具有決定性影響，這主要是因為：A.影響了氣體的擴散速率B.決定了氣體與MOF內(nèi)表面相互作用的類型和強度C.影響了MOF材料的穩(wěn)定性D.A和B均正確7.在研究MOF材料的氣敏性能時，常使用的“響應(yīng)時間”是指：A.MOF材料從初始狀態(tài)達到最大吸附量所需的時間B.MOF材料從接觸目標(biāo)氣體到產(chǎn)生可檢測信號所需的timeC.MOF材料完全脫附目標(biāo)氣體所需的時間D.MOF材料在目標(biāo)氣體濃度變化下信號恢復(fù)到初始狀態(tài)所需的時間8.下列哪種方法不屬于典型的MOF后合成修飾技術(shù)？A.引入功能化有機連接體B.離子交換C.原位生長第二相材料D.輻照處理9.與傳統(tǒng)的無機氣體傳感器相比，MOF氣體傳感器的主要優(yōu)勢之一是：A.制備成本更低B.可以實現(xiàn)極高的靈敏度和選擇性C.操作溫度必須非常高D.對所有氣體都具有良好的響應(yīng)10.MOF材料在氣體傳感應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.壽命穩(wěn)定性差，易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌或活性位點失活B.比表面積通常太小C.難以實現(xiàn)器件小型化D.對環(huán)境濕度不敏感二、填空題（每空2分，共20分）1.金屬有機框架（MOFs）是由___和___通過配位鍵或共價鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。2.影響MOF氣體吸附性能的關(guān)鍵因素包括其___、___、孔道連通性以及氣體自身的___和___等。3.MOF材料對特定氣體的選擇性主要源于氣體分子與MOF內(nèi)表面之間的___以及___的匹配。4.常用的MOF氣敏性能表征方法包括氣體傳感測試、氣體吸附等溫線測量、___、___等。5.為了提高MOF材料的氣體傳感性能，可以采取的策略包括優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、引入___、進行___等。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述物理吸附和化學(xué)吸附在MOF材料吸附氣體過程中的主要區(qū)別。2.簡要說明后合成修改在調(diào)控MOF氣敏性能方面可以起到哪些作用。3.列舉至少三種不同類型的氣體，并簡述它們與MOF材料可能發(fā)生的主要相互作用機制。四、論述題（10分）結(jié)合影響MOF氣敏性能的關(guān)鍵因素，論述如何設(shè)計一種具有高靈敏度和高選擇性的MOF氣體傳感器用于檢測特定揮發(fā)性有機化合物（VOCs）。請說明需要考慮的主要設(shè)計原則和可能采用的策略。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.D4.C5.C6.D7.B8.C9.B10.A二、填空題1.金屬節(jié)點，有機連接體2.比表面積，孔徑，吸附熱，化學(xué)性質(zhì)3.化學(xué)親和力，物理匹配度4.紅外光譜，熒光光譜5.功能化位點，后合成修改三、簡答題1.解析思路：區(qū)分物理吸附和化學(xué)吸附的核心在于吸附力的性質(zhì)和吸附過程。物理吸附主要依靠分子間作用力（如范德華力），特點是可逆、吸附熱較低、無選擇性?；瘜W(xué)吸附涉及化學(xué)鍵的形成（如配位鍵、氧化還原反應(yīng)），特點是不可逆或難可逆、吸附熱較高、具有選擇性。*答案：物理吸附主要依靠分子間作用力（如范德華力），過程可逆，吸附熱較低，對吸附質(zhì)無選擇性；化學(xué)吸附涉及化學(xué)鍵的形成（如配位鍵、氧化還原反應(yīng)），過程通常不可逆或難可逆，吸附熱較高，對吸附質(zhì)具有選擇性。2.解析思路：后合成修改的目的是在MOF形成后進一步改變其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。對于氣敏性能，修改可以引入特定的識別位點（功能化）來增強與目標(biāo)氣體的相互作用，或者通過引入缺陷、改變表面化學(xué)環(huán)境來調(diào)控吸附和響應(yīng)行為。*答案：后合成修改可以通過引入功能化基團或離子，增強MOF與目標(biāo)氣體的相互作用，提高選擇性；可以通過引入缺陷或改變表面化學(xué)環(huán)境，調(diào)節(jié)氣體吸附行為和傳感響應(yīng)特性；還可以通過離子交換改變金屬節(jié)點或有機連接體，從而調(diào)控材料的氣敏性能。3.解析思路：列舉不同類型的氣體并說明其與MOF的相互作用機制是考察對基本機理的理解。小分子極性氣體（如CO2,H2O,NH3）主要與MOF表面的官能團或金屬位點發(fā)生物理吸附或化學(xué)吸附（酸堿作用）；而電中性或極性較弱的氣體（如CH4,N2）主要被物理吸附在孔道內(nèi)；具有還原性的氣體（如CO,H2）可能與MOF表面的路易斯酸位點發(fā)生氧化還原反應(yīng)。*答案：（1）CO2：主要與MOF表面的堿性位點（如金屬中心）發(fā)生物理吸附，也可能發(fā)生路易斯酸堿相互作用。（2）H2O：與MOF表面的酸性位點（如金屬節(jié)點、有機連接體上的酸性基團）發(fā)生物理吸附或配位。（3）NH3：作為堿性分子，主要與MOF表面的路易斯酸位點（如金屬中心）發(fā)生配位化學(xué)吸附，也可能與表面羥基等發(fā)生物理吸附。（4）CH4：作為非極性分子，主要通過范德華力被物理吸附在MOF的孔道內(nèi)。（5）CO：作為具有還原性的分子，可能被MOF表面的路易斯酸位點（如某些過渡金屬中心）發(fā)生氧化還原反應(yīng)吸附，或通過物理吸附進入孔道。（6）N2：作為非極性分子，主要通過范德華力被物理吸附在MOF的孔道內(nèi)。四、論述題解析思路：設(shè)計高靈敏度和高選擇性的MOF氣體傳感器需要綜合考慮結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。高靈敏度通常要求高比表面積、合適的孔徑以利于氣體擴散、以及與氣體強相互作用的功能位點。高選擇性則要求MOF對目標(biāo)氣體具有強親和力（高吸附熱或特定相互作用）而對干擾氣體親和力弱。設(shè)計策略應(yīng)圍繞這些目標(biāo)展開，并結(jié)合實際應(yīng)用場景考慮穩(wěn)定性、響應(yīng)/恢復(fù)時間等因素。需要明確設(shè)計原則（如匹配孔道尺寸、引入特定活性位點、調(diào)控表面化學(xué)環(huán)境），并給出具體的實現(xiàn)方法（如選擇合適的金屬節(jié)點和有機連接體、引入功能基團、進行后合成修飾等）。*答案：設(shè)計高靈敏度和高選擇性的MOF氣體傳感器用于檢測特定VOCs，需要考慮以下關(guān)鍵因素和策略：1.高比表面積和適宜孔徑：選擇或設(shè)計具有高比表面積和與目標(biāo)VOC分子尺寸相當(dāng)?shù)目讖降腗OF，以確保足夠的吸附位點并利于氣體擴散進入孔道，從而提高靈敏度。2.強相互作用機制：引入能夠與目標(biāo)VOC分子發(fā)生強相互作用的功能位點。例如，如果目標(biāo)VOC是極性分子，可以選擇含有路易斯酸位點的MOF（如Zn,Co等金屬中心）或表面具有極性官能團（如-OH,-COOH）的MOF，通過酸堿相互作用或偶極-偶極作用增強吸附。如果目標(biāo)VOC是路易斯堿，則選擇含有路易斯酸位點的MOF。對于需要發(fā)生化學(xué)吸附的情況，可設(shè)計含有可氧化還原的金屬位點的MOF。3.高選擇性：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)對目標(biāo)VOC的特異性識別。這可以通過精確調(diào)控孔道尺寸和形狀，使MOF的孔道環(huán)境與目標(biāo)VOC分子高度匹配（“尺寸效應(yīng)”或“形狀效應(yīng)”），同時對結(jié)構(gòu)相似或極性相近的干擾VOC分子缺乏親和力。此外，引入特定的識別基團或位點，使其僅與目標(biāo)VOC發(fā)生強相互作用，而忽略其他氣體。4.功能化修飾：對MOF進行后合成功能化，如引入與目標(biāo)VOC具有特定識別能力的官能團（例如，對于氨氣NH3，可以引入路易斯酸位點；對于甲醛HCHO，可以引入胺基等）。功能化可以顯著提高傳感器的選擇性。5.優(yōu)化傳感界面：考慮MOF材料與傳感器的其他部分（如電極材料）的界面性質(zhì)，確保良好的電子傳輸和信號響應(yīng)。6.穩(wěn)定性考慮：選擇或設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的MO