2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——過渡金屬催化劑在燃料電池中的應用考試時間：______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入括號內(nèi)。）1.下列哪種過渡金屬元素因其高成本和稀缺性，在商業(yè)化的燃料電池催化劑中應用受到限制？A.鈷(Co)B.鎳(Ni)C.鉑(Pt)D.鈀(Pd)2.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的陰極，過渡金屬催化劑主要參與的反應是：A.氫氣在陽極的氧化B.氧氣在陰極的還原C.甲醇在陽極的脫氫D.水在陰極的分解3.提高過渡金屬催化劑本征活性的一個關(guān)鍵策略是：A.增加催化劑的負載量B.選擇導電性更差的載體C.調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)D.減小催化劑顆粒尺寸至單原子水平（不考慮穩(wěn)定性）4.下列哪種技術(shù)常用于分析過渡金屬催化劑表面原子的電子態(tài)和化學環(huán)境？A.透射電子顯微鏡(TEM)B.X射線光電子能譜(XPS)C.拉曼光譜(Raman)D.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)5.負載型過渡金屬催化劑（如Pt/C）中，載體（如碳黑）的主要作用通常不包括：A.提供大的比表面積以分散活性組分B.降低催化劑的總體成本C.直接參與電化學反應D.改善催化劑的機械穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)6.在SOFC（固體氧化物燃料電池）中，常用的陰極催化劑材料屬于：A.貴金屬氧化物B.非貴金屬碳材料C.鈷基合金D.鈦酸鍶鈣（如LSCF）等鈣鈦礦型氧化物7.過渡金屬催化劑在燃料電池中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.對CO?的耐受性差B.本征活性足夠高C.載體材料過于廉價D.易于回收再利用8.原子層沉積（ALD）方法制備過渡金屬催化劑的主要優(yōu)勢在于：A.成本極低B.可在復雜三維結(jié)構(gòu)上均勻沉積C.只適用于高溫環(huán)境D.只能沉積單一金屬元素9.下列哪種現(xiàn)象是指催化劑在使用過程中其催化性能隨時間推移而下降？A.選擇ivity變化B.活性降低C.比表面積增大D.形貌發(fā)生微小改變10.為了提高PEMFC陰極催化劑對CO?的耐受性，可以嘗試：A.使用純鉑金屬B.將貴金屬分散在耐CO?腐蝕的非貴金屬載體上C.增加催化劑的載量D.提高電池工作溫度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上。）1.過渡金屬催化劑的催化活性與其______、______和表面電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。2.在PEMFC中，RuO?通常作為______催化劑的助催化劑，以改善其氧還原反應性能。3.催化劑的穩(wěn)定性通常通過評價其抵抗______和______的能力來衡量。4.溶膠-凝膠法是一種常用的制備______型過渡金屬氧化物催化劑的方法。5.為了緩解貴金屬催化劑的成本壓力，研究者致力于開發(fā)高效穩(wěn)定的______過渡金屬催化劑。6.在燃料電池中，CO?容易在______電位下毒化PEMFC陰極的貴金屬催化劑。7.影響過渡金屬催化劑電催化性能的關(guān)鍵因素包括活性組分______、載體的______以及催化劑的______。8.X射線衍射（XRD）主要用于分析催化劑的______和物相組成。9.基于密度泛函理論（DFT）的計算模擬有助于理解過渡金屬催化劑的______和構(gòu)效關(guān)系。10.負載型催化劑的分散性對其催化性能有重要影響，良好的分散性通常意味著更高的______。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述過渡金屬催化劑在PEMFC陽極和陰極中的作用機理的主要區(qū)別。2.解釋什么是“CO?中毒”，并說明其對PEMFC陰極催化劑性能的影響。3.列舉至少三種提高過渡金屬電催化劑本征活性的常用化學制備方法。4.簡述負載型過渡金屬催化劑（例如Pt/C）中，載體碳材料的作用。四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學知識，全面而深入地回答下列問題。）1.分析貴金屬（如Pt）催化劑在燃料電池應用中存在的主要問題，并探討非貴金屬催化劑替代貴金屬催化劑面臨的挑戰(zhàn)與可能的解決方案。2.論述過渡金屬催化劑的制備方法對其電催化性能的影響，并舉例說明。3.結(jié)合燃料電池的工作環(huán)境，討論提高過渡金屬催化劑長期穩(wěn)定性的重要性，并從材料設計、結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面提出應對策略。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.B5.C6.D7.A8.B9.B10.B二、填空題1.化學組成，晶體結(jié)構(gòu)2.Pt3.空間電荷，腐蝕/燒結(jié)4.金屬或氧化物5.非貴金屬6.負7.成分，形貌，結(jié)構(gòu)8.晶體結(jié)構(gòu)9.反應機理10.活性三、簡答題1.解析思路：區(qū)分陽極（H?氧化）和陰極（O?還原）。陽極主要涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移和氫解離/結(jié)合，催化劑需穩(wěn)定且能活化H-H鍵或促進吸附的H物種。陰極涉及氧還原反應，催化劑需能活化O?分子，促進吸附的*O物種的進一步反應或形成OH?等產(chǎn)物，通常涉及更復雜的電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟。2.解析思路：定義CO?中毒（CO?分子或離子吸附在催化劑表面，阻礙了目標反應物如O?的吸附和反應）。影響：降低催化劑對O?的吸附親和力，導致ORR活性急劇下降，甚至完全失效，并可能引起催化劑表面化學態(tài)的不可逆改變。3.解析思路：列舉常見方法：①改變合成前驅(qū)體或配體；②調(diào)控反應溫度、pH值或氣氛；③引入摻雜元素；④采用表面修飾或沉積技術(shù)（如ALD）等。這些方法旨在調(diào)整催化劑的電子結(jié)構(gòu)、表面態(tài)、晶格應變等，從而提高活性。4.解析思路：說明碳載體作用：①提供高比表面積和合適的孔道結(jié)構(gòu)，分散活性金屬顆粒，防止團聚；②調(diào)節(jié)活性組分顆粒的尺寸和形貌；③通過與活性組分之間的相互作用（如電子效應、離子效應）來調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)，進而影響催化活性；④提供機械支撐，增強催化劑的穩(wěn)定性。四、論述題1.解析思路：*主要問題分析：成本高昂（貴金屬價格高）、資源稀缺（地球儲量有限）、穩(wěn)定性問題（長期運行易失活、燒結(jié)、溶解）、CO?中毒敏感性（陰極尤其嚴重）、對毒物（如硫、磷）敏感。*挑戰(zhàn)分析：非貴金屬基催化劑普遍面臨本征活性低于貴金屬、穩(wěn)定性較差、選擇ivity不高、抗毒物能力不強等挑戰(zhàn)。*解決方案探討：①合金化設計（如Pt-Ni,Pt-Co）；②復合氧化物（如NiFe?O?）；③異質(zhì)結(jié)構(gòu)建（貴金屬納米顆粒負載在非貴金屬基底上）；④缺陷工程（控制氧空位濃度）；⑤表面修飾（如覆蓋保護層）；⑥理論計算指導的催化劑設計等。強調(diào)需要多方面結(jié)合，往往是結(jié)構(gòu)、成分、形貌的協(xié)同優(yōu)化。2.解析思路：*制備方法與性能關(guān)系：①粒徑控制：小粒徑通常有高表面積，利于暴露活性位點，但可能易團聚失活；②形貌控制：不同形貌（如納米顆粒、納米線、納米片）具有不同的暴露晶面，不同晶面原子種類和數(shù)量不同，活性不同；③組成調(diào)控：合金化或核殼結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生晶格應變、電子配體效應，改變活性位點性質(zhì)；④結(jié)構(gòu)調(diào)控：如引入缺陷、孿晶等，可以改變電子結(jié)構(gòu)，影響吸附能；⑤載體影響：載體種類、形貌、表面官能團等會通過相互作用影響活性組分的電子態(tài)和分散性。*舉例說明：例如，通過水熱法制備的Ni-Mo合金催化劑，其特定的晶體結(jié)構(gòu)和電子配體效應使其在ORR中表現(xiàn)出比純Ni或Mo更高的活性。又如在碳納米管上負載的Pt納米顆粒，其管狀結(jié)構(gòu)有利于Pt顆粒的分散和穩(wěn)定，并可能暴露更多的邊緣活性位點。3.解析思路：*長期穩(wěn)定性重要性：燃料電池需要長期可靠運行，催化劑的失活會導致性能衰減、壽命縮短、成本增加，影響實際應用。穩(wěn)定性是評價催化劑實用價值的關(guān)鍵指標。*應對策略：*材料設計：選擇本征穩(wěn)定性好的元素或化合物（如耐氧化、耐腐蝕的金屬或氧化物）；進行合金化或摻雜，利用協(xié)同效應或形成穩(wěn)定相來抑制燒結(jié)和溶解；設計具有高氧空位濃度的材料以適應燃料電池環(huán)境。*結(jié)構(gòu)調(diào)控：制備超小尺寸顆?；騿卧哟呋瘎?，利用量子尺寸效應提高穩(wěn)定性；構(gòu)建多級孔結(jié)構(gòu)或特殊形貌（如納米花、納米籠），增加傳質(zhì)路徑，緩沖體積變化