2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——新型催化劑設計與應用考試時間：______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(nèi)）1.下列哪一項不屬于催化劑的基本特性？A.能改變反應的平衡常數(shù)B.能改變反應的活化能C.在反應前后自身的質(zhì)量和化學性質(zhì)不發(fā)生改變D.能加快化學反應速率2.在催化劑設計中，為了提高催化劑的比表面積和分散度，常采用的方法是？A.使用高熔點的活性組分B.加入助催化劑C.使用多孔性載體D.提高反應溫度3.下列哪種表征技術主要用于確定催化劑的晶相結構和物相組成？A.BETB.XRDC.XPSD.TEM4.水熱法合成催化劑的主要優(yōu)點之一是？A.設備簡單，成本低B.易于獲得高純度產(chǎn)物C.可在高溫高壓下進行，有利于合成特殊結構材料D.適用于所有類型的催化劑合成5.催化劑的穩(wěn)定性通常指？A.催化劑在儲存過程中的化學穩(wěn)定性B.催化劑在反應過程中活性組分保持結構和化學性質(zhì)不變的能力C.催化劑對Poisoning物質(zhì)的抵抗能力D.催化劑使用壽命的長短6.下列哪個反應不屬于利用催化劑實現(xiàn)綠色化學的目標？A.開發(fā)原子經(jīng)濟性高的催化反應B.使用可降解的催化劑C.催化選擇性合成目標產(chǎn)物，減少副產(chǎn)物生成D.催化難以分解的污染物生成小分子無害物質(zhì)7.在CO2催化加氫制甲醇的反應中，為了提高選擇性，通常需要？A.使用高分散度的金屬納米顆粒催化劑B.嚴格控制反應溫度C.選擇合適的載體材料D.以上都是8.原位表征技術的主要目的是？A.獲得催化劑的靜態(tài)結構信息B.研究催化劑在反應條件下結構和性能的動態(tài)變化C.測定催化劑的比表面積D.分析催化劑的化學組成9.催化劑失活的常見原因包括？A.活性組分燒結B.載體表面與活性組分發(fā)生反應C.毒化劑覆蓋活性位點D.以上都是10.對于資源化學專業(yè)而言，新型催化劑設計在哪個方面具有重要意義？A.提高化石能源的利用效率B.促進可再生能源的轉(zhuǎn)化利用C.加快稀有資源的提取和利用D.以上都是二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題中的橫線上）1.催化劑能夠改變化學反應速率，但______________反應的平衡常數(shù)。2.基于密度泛函理論（DFT）的催化研究，可以幫助我們理解催化劑表面的______________和______________。3.常用的負載型催化劑，其活性組分通常以______________或______________的形式分散在載體上。4.催化劑的評價指標除了活性、選擇性外，還包括______________、______________和壽命等。5.______________是表征固體材料比表面積和孔結構最常用的方法之一。6.生物酶作為一種天然催化劑，其優(yōu)點包括高選擇性、高活性和環(huán)境友好性，但缺點通常是______________和______________。7.在設計用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化催化劑時，需要考慮生物質(zhì)的高聚物結構特點，如______________、______________和______________。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述助催化劑在催化劑中的作用。2.簡述水熱法合成催化劑的基本原理及其優(yōu)點。3.簡述如何通過改變催化劑的粒徑來調(diào)控其催化性能。4.簡述CO2催化轉(zhuǎn)化制取化學品的意義和面臨的挑戰(zhàn)。四、論述題（每小題10分，共20分）1.論述設計高效催化劑時，需要綜合考慮哪些因素？2.論述表征技術在新型催化劑研發(fā)過程中的作用。五、案例分析題（10分）某研究小組設計了一種新型非貴金屬催化劑，用于催化NOx選擇性還原反應。他們通過改變金屬前驅(qū)體種類和合成方法，并對催化劑進行了表征和活性評價。請簡述在此過程中，他們可能采用的設計策略、表征方法以及評價要點，并分析如何根據(jù)結果優(yōu)化催化劑性能。試卷答案一、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(nèi)）1.A*解析：催化劑改變化學反應速率，但不改變反應的平衡常數(shù)。平衡常數(shù)只與反應溫度有關。2.C*解析：多孔性載體能夠為活性組分提供更多的分散空間和表面，從而提高催化劑的比表面積和分散度，有利于催化反應。3.B*解析：X射線衍射（XRD）技術能夠分析晶體結構的特征，從而確定物質(zhì)的物相組成和晶體結構信息。4.C*解析：水熱法在高溫高壓的溶液或熔融介質(zhì)中進行，有利于合成特殊結構（如晶型）、高純度或穩(wěn)定性更好的催化劑。5.B*解析：穩(wěn)定性是指催化劑在反應條件下，其活性組分能夠保持原有的化學組成和物理結構（如粒徑、分散度）不變的能力。6.D*解析：選項A、B、C都是綠色化學的原則或體現(xiàn)。選項D描述的是污染物分解，雖然也可能涉及催化，但不直接屬于利用催化劑進行資源轉(zhuǎn)化或化學品合成的綠色化學范疇。7.D*解析：提高CO2加氫制甲醇選擇性需要綜合考慮活性組分、助劑、載體、反應條件等多種因素，A、B、C都是重要的調(diào)控手段。8.B*解析：原位表征技術是在接近或真實的反應條件下進行表征，目的是研究催化劑結構和性能隨反應進程的動態(tài)變化。9.D*解析：活性組分燒結、載體與活性組分反應、毒化劑覆蓋活性位點都是導致催化劑失活的常見原因。10.D*解析：新型催化劑設計對于提高化石能源效率、促進可再生能源利用、加快稀有資源利用都具有重要意義，涵蓋了資源化學的主要領域。二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題中的橫線上）1.不改變*解析：催化劑通過改變反應路徑降低活化能，但不改變反應的始態(tài)和終態(tài)能量差，因此不改變平衡常數(shù)。2.活性位點結構；反應機理*解析：DFT主要用于計算催化劑表面的電子結構，從而揭示活性位點的性質(zhì)以及反應發(fā)生的微觀過程（機理）。3.介孔；微孔*解析：負載型催化劑中，活性組分通常分散在載體提供的介孔或微孔結構中。4.選擇性；穩(wěn)定性*解析：除了活性、選擇性，催化劑的穩(wěn)定性和壽命也是評價其性能的重要指標。5.BET*解析：BET（N?吸附-脫附）法是測定固體材料比表面積和孔體積最常用的技術。6.熱穩(wěn)定性差；易失活（或易變性）*解析：與合成催化劑相比，生物酶通常在較高溫度或較寬pH范圍下活性會降低或失活。7.結構復雜；纖維素；半纖維素；木質(zhì)素*解析：生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等高聚物組成，結構復雜，需要開發(fā)能夠有效降解和轉(zhuǎn)化這些組分的催化劑。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.助催化劑的作用主要有兩個方面：一是提高活性組分的分散度，防止其團聚燒結，增加活性表面；二是調(diào)節(jié)活性組分的電子性質(zhì)或提供新的活性位點，從而提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。2.水熱法是在密閉的高壓釜中，使用水作為溶劑或介質(zhì)，在高溫（通常高于100°C）和高壓條件下合成材料的化學方法。其優(yōu)點包括：可以在高溫高壓環(huán)境下抑制副反應，有利于合成特殊晶相或結構；可以使用不溶于常規(guī)溶劑的前驅(qū)體；設備相對簡單，操作靈活等。3.改變催化劑的粒徑會影響其比表面積、表面能、擴散路徑和活性位點數(shù)量與類型。通常，減小粒徑可以提高比表面積，增加活性位點數(shù)量，有利于反應物吸附和產(chǎn)物脫附，從而提高催化活性，但也可能降低催化劑的機械強度和穩(wěn)定性，并可能導致燒結加劇。增大粒徑則相反。4.意義：利用催化劑可以將CO2這種溫室氣體轉(zhuǎn)化為有價值的化學品或燃料，有助于緩解氣候變化，并實現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用。面臨的挑戰(zhàn)：CO2分子化學惰性大，活化能高；需要開發(fā)高效、低成本的非貴金屬催化劑；反應條件要求苛刻，選擇性控制困難；如何實現(xiàn)催化劑的長期穩(wěn)定運行和規(guī)?；瘧玫?。四、論述題（每小題10分，共20分）1.設計高效催化劑時，需要綜合考慮以下因素：*催化活性：催化劑應能顯著加快目標反應的速率，通常用單位質(zhì)量或單位表面積的催化劑的轉(zhuǎn)化速率來衡量。*選擇性：催化劑應能高選擇性地生成目標產(chǎn)物，抑制副反應，提高目標產(chǎn)物的收率或純度。*穩(wěn)定性：催化劑應在目標反應條件下保持結構和化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易失活，具有較長的使用壽命。*經(jīng)濟性：催化劑的制備成本應盡可能低，原料易得，合成方法簡單可行。*抗毒化能力：催化劑應能抵抗反應體系中可能存在的毒化物（如硫、磷、碳等）的影響，保持其活性。*易于分離回收：如果催化劑是固液相催化，應易于從反應體系中分離回收，便于循環(huán)使用。*環(huán)境友好性：催化劑的合成、使用和廢棄過程應盡可能減少對環(huán)境的影響。*理論指導：基于反應機理的理解，設計能夠提供合適活性位點、優(yōu)化反應路徑的催化劑結構。*實踐驗證：設計方案需通過實驗合成、表征和活性評價來驗證和優(yōu)化。2.表征技術在新型催化劑研發(fā)過程中的作用至關重要，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：*結構確認：利用XRD、SEM、TEM等技術確定催化劑的晶相結構、物相組成、形貌、粒徑、比表面積、孔結構等基本物理結構信息，這些是評價催化劑性能的基礎。*組成分析：利用XPS、AAS、ICP等技術研究催化劑的元素組成、化學態(tài)（價態(tài)）、表面元素分布等，判斷活性組分、助劑是否存在，以及是否存在毒化物或雜質(zhì)。*活性位點鑒定：結合多種表征手段（如原位表征、理論計算），識別催化劑表面的真正活性位點及其結構特征。*構效關系建立：通過系統(tǒng)性地改變催化劑的組成、結構或形貌，并結合表征結果和活性評價，建立催化劑的結構與性能之間的關系（構效關系），為催化劑的理性設計提供依據(jù)。*失活機理探究：當催化劑性能下降時，利用表征技術（如原位技術）跟蹤其結構、組成隨反應時間的變化，分析失活的原因（如燒結、團聚、中毒、燒結等）。*指導優(yōu)化：表征結果可以為催化劑的優(yōu)化提供明確的方向，例如，如果發(fā)現(xiàn)活性組分分散度低，可以優(yōu)化合成方法以提高分散度；如果發(fā)現(xiàn)存在毒化物，可以改進制備工藝或添加脫毒劑。*理論驗證：為配合理論計算（如DFT），提供實驗上的結構、組成等信息，用于驗證理論模型的準確性。五、案例分析題（10分）在此NOx選擇性還原反應的案例中，研究小組可能采用以下策略、方法及要點：*設計策略：*活性組分選擇：選擇具有強還原性（如Cu、Fe、Ni、Co等過渡金屬）且對NOx還原反應具有高活性的金屬作為活性組分。*助劑添加：添加助劑（如堿金屬、堿土金屬或貴金屬）來調(diào)節(jié)活性組分的電子結構，提高其還原性、分散度或穩(wěn)定性，或促進反應中間體的吸附/脫附。*載體選擇：選擇具有高比表面積、合適的孔結構（如介孔）和良好酸堿性的載體（如沸石、活性炭、氧化硅、氧化鋁等），以支持活性組分、提高其分散度并提供反應場所。*結構調(diào)控：通過改變合成方法（如水熱法、溶膠-凝膠法、浸漬法等）調(diào)控活性組分的粒徑、分散度、形態(tài)（如納米顆粒、納米線、超晶格等）以及與載體的相互作用。*表征方法：*結構表征：XRD（物相、晶粒尺寸）、SEM/TEM（形貌、粒徑、分散度）、BET（比表面積、孔結構）。*組成與化學態(tài)表征：XPS（元素組成、價態(tài)）、AAS/ICP（元素定量分析）。*表面性質(zhì)表征：H?-TPR（活性組分還原性）、H?-TPD（吸附氫能力，間接反映酸性）、NH?-TPD（酸量與酸性）。*原位表征（可選）：原位XRD、原位TEM、原位紅外光譜等，用于研究反應過程中催化劑結構和表面物種的變化。*評價要點：*活性評價：在標準的反應條件下（溫度、壓力、空速、反應氣體組成），測定催化劑的NO轉(zhuǎn)化率或N?選擇性，這是評價催化劑性能最核心的指標。*選擇性評價：特別關注N?的選擇性，因為目標是NOx的選擇性還原，而非氨氣的生成等副反應。*穩(wěn)定性評價：考察催化劑在連續(xù)運行或