2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——石墨烯基復(fù)合材料的制備及性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)符合題意。）1.下列哪種方法通常不用于制備高質(zhì)量的單層石墨烯？A.機(jī)械剝離法B.氧化還原法C.外延生長法D.激光消融法2.石墨烯基復(fù)合材料的優(yōu)異導(dǎo)電性主要?dú)w因于其具有：A.大量的孔洞結(jié)構(gòu)B.極高的比表面積C.石墨烯片層間的范德華力D.碳原子sp2雜化形成的離域π電子體系3.在制備石墨烯/金屬氧化物復(fù)合材料時，選擇合適的分散劑主要是為了：A.提高材料的導(dǎo)熱性B.增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度C.防止石墨烯片層或金屬氧化物顆粒在復(fù)合過程中團(tuán)聚D.改善材料的催化活性4.氧化還原法制備石墨烯過程中，通常加入的氧化劑是：A.H2SO4B.HNO3C.K2Cr2O7D.以上都是5.石墨烯基復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用主要利用了石墨烯的：A.高熔點(diǎn)B.高導(dǎo)電性和大比表面積C.良好的絕緣性D.強(qiáng)大的吸附能力6.水熱法制備石墨烯基復(fù)合材料的主要優(yōu)勢之一是：A.成本低廉B.可在高溫高壓下促進(jìn)反應(yīng)，提高產(chǎn)率C.操作簡單，無需特殊設(shè)備D.對環(huán)境友好，綠色環(huán)保7.當(dāng)石墨烯與聚合物復(fù)合時，如果希望提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，通常需要：A.增加石墨烯的添加量B.使用功能化石墨烯C.優(yōu)化石墨烯在聚合物中的分散狀態(tài)D.選擇具有高電導(dǎo)性的聚合物基體8.下列哪種性能不是石墨烯本身所具有的？A.極高的楊氏模量B.超強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度C.極低的電導(dǎo)率D.高導(dǎo)熱性9.在石墨烯基催化劑載體中，石墨烯的主要作用通常是：A.作為主催化劑B.提供高表面積以負(fù)載更多催化活性組分C.降低催化劑的制備成本D.增強(qiáng)催化劑的機(jī)械穩(wěn)定性10.石墨烯基復(fù)合材料用于環(huán)境污染治理時，其吸附性能主要依賴于：A.金屬氧化物的催化活性B.石墨烯片層的巨大比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)C.復(fù)合材料的熒光特性D.基體的絕緣性能二、填空題（每空2分，共20分。）1.石墨烯是由碳原子以__________雜化方式構(gòu)成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)單層材料。2.常見的石墨烯制備方法包括物理法中的__________剝離法和化學(xué)法中的氧化還原法。3.石墨烯基復(fù)合材料的性能往往表現(xiàn)出__________效應(yīng)，即復(fù)合材料整體性能優(yōu)于各組分單獨(dú)性能之和。4.在石墨烯的氧化還原制備過程中，通常先用__________等強(qiáng)氧化劑對石墨進(jìn)行氧化，然后在溶劑中通過還原劑（如__________）將氧化石墨還原為石墨烯。5.石墨烯基復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，通常利用其作為__________材料，以提高電池的倍率性能和循環(huán)壽命。6.為了提高石墨烯在聚合物基體中的分散性，常需要對石墨烯進(jìn)行__________處理。7.石墨烯與金屬氧化物復(fù)合時，良好的界面結(jié)合是發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)、提升復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。8.水熱法是一種在__________和__________條件下進(jìn)行的合成方法，常用于制備石墨烯基復(fù)合材料。9.石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)熱性源于其碳原子sp2雜化形成的__________，允許聲子（熱振動）高效傳輸。10.石墨烯基復(fù)合材料的環(huán)境友好性評價，除了考慮其優(yōu)異性能外，還需關(guān)注其制備過程的__________以及廢棄后的回收處理問題。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述機(jī)械剝離法制備石墨烯的基本原理及其主要優(yōu)點(diǎn)。2.比較溶液混合法和原位生長法制備石墨烯基復(fù)合材料在原理和特點(diǎn)上的主要區(qū)別。3.為什么說石墨烯的官能團(tuán)對其在復(fù)合材料中的性能有重要影響？4.簡述石墨烯基復(fù)合材料在能源存儲領(lǐng)域（如超級電容器）提升儲能性能的主要途徑。四、論述題（每小題10分，共30分。）1.論述石墨烯/聚合物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其電學(xué)性能的影響，并舉例說明如何通過調(diào)控結(jié)構(gòu)來優(yōu)化性能。2.結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)背景，論述石墨烯基復(fù)合材料在資源高效利用或環(huán)境污染治理方面的應(yīng)用潛力和面臨的挑戰(zhàn)。3.設(shè)計一個實(shí)驗(yàn)方案，用于制備石墨烯/二氧化錳復(fù)合電極材料，并簡述其作為鋰離子電池負(fù)極材料時的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和性能提升機(jī)制。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.B10.B二、填空題1.sp22.機(jī)械剝離，還原劑（如hydrazinehydrate或H2SO4）3.協(xié)同4.HNO3，hydrazinehydrate(或H2SO4)5.碳基負(fù)極6.功能化7.界面結(jié)合8.高溫，高壓9.離域π電子體系10.綠色化三、簡答題1.機(jī)械剝離法通過物理手段（如用膠帶從石墨表面反復(fù)粘貼撕拉）將石墨晶體層間剝離，獲得單層或少數(shù)層石墨烯。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接獲得高質(zhì)量、大面積的單層石墨烯，且過程相對簡單，但產(chǎn)率低，成本高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。2.溶液混合法是將分別制備好的石墨烯和第二相材料（如納米顆粒、聚合物）分散在溶劑中，通過攪拌、超聲等手段混合，然后通過干燥等方法復(fù)合。其原理是利用分子間作用力實(shí)現(xiàn)混合。原位生長法是在特定的溶劑或氣氛中，通過化學(xué)反應(yīng)直接在基底上生長出石墨烯及其復(fù)合材料。其原理是化學(xué)反應(yīng)生成。溶液混合法操作相對簡單，但界面結(jié)合可能較差；原位生長法可以獲得更緊密的界面結(jié)合，但工藝控制要求更高。3.石墨烯表面可以存在多種官能團(tuán)（如羥基、羧基、環(huán)氧基等）。這些官能團(tuán)可以改變石墨烯的表面能、溶解性、與基體的相互作用以及與吸附物質(zhì)或催化活性物質(zhì)的相互作用。官能團(tuán)的存在可以調(diào)節(jié)石墨烯的導(dǎo)電性，影響其在復(fù)合材料中的分散性，并可能提供活性位點(diǎn)或改變復(fù)合材料的功能（如吸附、催化）。4.石墨烯基復(fù)合材料提升超級電容器儲能性能的主要途徑包括：①提高電極材料的比表面積和孔隙率，增加電極/電解液接觸面積，從而提高電容。石墨烯本身具有高比表面積，復(fù)合材料設(shè)計需進(jìn)一步增大有效表面積。②提高電極材料的電子導(dǎo)電性，縮短電子傳輸路徑，降低電阻，提高倍率性能。石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性是關(guān)鍵。③優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，確保石墨烯等組分均勻分散，形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。④利用石墨烯與其它組分（如金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物）的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升電極材料的電化學(xué)性能（如倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性）。四、論述題1.石墨烯/聚合物復(fù)合材料的電學(xué)性能主要取決于其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成和電子傳輸?shù)男省＝Y(jié)構(gòu)設(shè)計對其性能影響顯著：①石墨烯的分散性：分散均勻的石墨烯能形成連續(xù)的導(dǎo)電通路，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性；分散不均會導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂，性能下降。②石墨烯的含量與分布：適當(dāng)增加石墨烯含量并均勻分布在聚合物基體中，有助于形成更完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但過量或團(tuán)聚會適得其反。③復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)：石墨烯與聚合物基體的界面結(jié)合情況直接影響電荷轉(zhuǎn)移效率；復(fù)合材料是形成片狀、纖維狀還是點(diǎn)狀分散結(jié)構(gòu)，都會影響整體電導(dǎo)率。④石墨烯的尺寸與形貌：單層石墨烯比多層石墨烯導(dǎo)電性更好。通過調(diào)控這些結(jié)構(gòu)參數(shù)（如使用功能化石墨烯、改變復(fù)合方法、調(diào)整加工工藝），可以優(yōu)化石墨烯/聚合物復(fù)合材料的電學(xué)性能。例如，使用氧化石墨烯原位還原法可以制備石墨烯/聚合物復(fù)合材料，通過控制還原劑濃度和反應(yīng)條件，可以調(diào)控石墨烯的還原程度和分散狀態(tài)，從而優(yōu)化復(fù)合材料的導(dǎo)電性。2.石墨烯基復(fù)合材料在資源化學(xué)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，但也面臨挑戰(zhàn)。潛力主要體現(xiàn)在：①資源提取與分離：石墨烯及其復(fù)合材料（如石墨烯氧化膜、石墨烯/殼聚糖）具有優(yōu)異的吸附性能和選擇性，可用于吸附重金屬離子、染料分子、CO2等，在廢水處理、氣體分離、礦物浮選等領(lǐng)域有應(yīng)用前景。例如，石墨烯基吸附劑可用于從工業(yè)廢水中去除重金屬，或用于富集稀有金屬資源。②催化與材料改性：石墨烯可以作為高比表面積的載體負(fù)載催化劑（如貴金屬、過渡金屬氧化物），提高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，用于資源轉(zhuǎn)化（如化工合成、小分子電催化）。同時，石墨烯也可以改性傳統(tǒng)催化劑或吸附材料，提升其性能。③能源存儲與轉(zhuǎn)換：石墨烯基復(fù)合材料可用于鋰離子電池、超級電容器、燃料電池等，提高能量密度、功率密度和循環(huán)壽命，助力能源資源的高效利用。面臨的挑戰(zhàn)包括：①制備成本與規(guī)?；a(chǎn)：高質(zhì)量石墨烯的制備成本較高，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、綠色化生產(chǎn)仍是難題。②復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性：在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料可能面臨腐蝕、磨損、結(jié)構(gòu)坍塌等問題，長期穩(wěn)定性有待提高。③界面兼容性與均勻分散：如何實(shí)現(xiàn)石墨烯與不同基體（金屬、陶瓷、聚合物）的良好界面結(jié)合以及均勻分散，是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，也是一大挑戰(zhàn)。④環(huán)境友好性與安全性：石墨烯的潛在生態(tài)風(fēng)險（如生物毒性、水體持久性）及其廢棄后的回收處理問題，需要深入研究。⑤基礎(chǔ)理論與性能預(yù)測：石墨烯基復(fù)合材料的構(gòu)效關(guān)系尚不完全清楚，建立精確的性能預(yù)測模型仍有困難。3.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計：①材料準(zhǔn)備：制備氧化石墨烯（GO），可采用改進(jìn)的Hummers法；準(zhǔn)備二氧化錳（MnO2），可選用納米二氧化錳粉末或通過水熱/溶劑熱法制備的納米結(jié)構(gòu)MnO2。②復(fù)合制備：將一定量的GO和MnO2分散在去離子水或NMP等溶劑中，超聲處理30分鐘以上確保均勻分散。然后加入適量交聯(lián)劑（如雙官能團(tuán)環(huán)氧樹脂或二醛化的聚合物）和催化劑，在特定溫度（如80-120°C）下反應(yīng)一段時間，使GO與MnO2發(fā)生交聯(lián)或共價連接，形成石墨烯/MnO2復(fù)合材料。反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水或乙醇洗滌，去除未反應(yīng)試劑和小分子，冷凍干燥得到固態(tài)復(fù)合材料。③電極制備：將制備好的石墨烯/MnO2復(fù)合材料與導(dǎo)電劑（如SuperP或炭黑）和粘結(jié)劑（如聚偏氟乙烯PVDF）按一定比例混合，加入適量溶劑（如NMP）攪拌形成漿料。將漿料均勻涂覆在鋁箔集流體上，刮刀控制厚度，然后在烘箱中干燥，最后在真空烘箱中熱處理（如120°C烘箱中預(yù)烘12小時，再在惰性氣氛烘箱中150-200°C熱處理2小時），得到石墨烯/MnO2復(fù)合電極片。④結(jié)構(gòu)設(shè)計思路：該復(fù)合材料旨在利用石墨烯的高導(dǎo)電性和大比表面積提供電子傳輸通道和負(fù)載位點(diǎn)，同時利用MnO2作為鋰存儲