2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——生物燃料電池催化劑在能源化學中的作用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種物質通常被認為是生物燃料電池中葡萄糖氧化酶的主要作用底物？A.氧氣B.甲醇C.葡萄糖D.乙醇2.微生物燃料電池（MFC）的核心工作原理是利用微生物的什么過程將化學能轉化為電能？A.光合作用B.化學合成C.底物氧化D.離子滲透3.在生物燃料電池中，提高催化劑選擇性的主要目的是什么？A.增加反應速率B.降低反應能壘C.最大化理論輸出電壓D.減少副反應的發(fā)生4.下列哪種方法不屬于常用的酶固定化技術？A.物理吸附B.微膠囊化C.電化學沉積D.化學交聯5.生物燃料電池催化劑穩(wěn)定性差的主要原因通常不包括：A.酶的失活B.微生物的死亡C.電極材料的腐蝕D.底物濃度的過高6.與傳統燃料電池相比，生物燃料電池最突出的優(yōu)勢之一是：A.能量轉換效率極高B.可使用更廣泛的燃料C.對環(huán)境完全友好D.催化劑成本極低7.以下哪種物質通常被認為是生物燃料電池（特別是MFC）中的終端電子受體？A.硝酸鹽B.氫氣C.氧氣D.二氧化碳8.影響生物燃料電池催化劑活性的關鍵因素之一是：A.電極的幾何面積B.底物的擴散速率C.催化劑的載量D.電池的輸出功率9.“生物無機催化劑”通常指：A.純粹的有機酶B.純粹的無機金屬催化劑C.結合了生物分子（如酶）和無機材料的復合催化劑D.天然存在的金屬氧化物10.生物燃料電池在可穿戴電子設備中的應用前景主要得益于其：A.高功率密度B.使用生物質燃料C.低生物相容性要求D.模塊化設計潛力二、填空題1.生物燃料電池通常由______、______、______和______四個主要部分組成。2.催化劑在生物燃料電池陽極的主要作用是______，在陰極的主要作用是______。3.與酶相比，微生物作為催化劑的優(yōu)點通常包括______和______，但缺點可能是______。4.提高生物燃料電池催化劑穩(wěn)定性的一個重要途徑是______。5.生物燃料電池的輸出電壓受到______和______的限制。6.為了提高生物催化劑的利用率和壽命，常用的______技術可以將催化劑固定在電極表面。7.生物燃料電池利用______作為燃料，具有環(huán)境友好的特點。三、簡答題1.簡述生物燃料電池中，催化劑失活的主要原因有哪些？2.簡述酶固定化和微生物固定化各有何主要方法及其特點。3.簡述提高生物燃料電池催化劑選擇性的意義。4.簡述生物燃料電池相對于傳統燃料電池在應用方面面臨的主要挑戰(zhàn)。四、論述題1.論述生物相容性對生物燃料電池催化劑性能的重要性，并舉例說明。2.試分析影響生物燃料電池實際應用推廣的關鍵因素有哪些，并針對其中一兩點提出可能的解決方案。3.闡述仿生或生物無機催化劑在生物燃料電池領域中的發(fā)展?jié)摿捌淇赡艿难芯糠较颉Ｔ嚲泶鸢敢?、選擇題1.C2.C3.D4.C5.C6.B7.C8.B9.C10.D二、填空題1.陽極，陰極，電解質，外電路2.催化氧化反應，催化還原反應3.對底物濃度不敏感，可重復使用，穩(wěn)定性相對較高；反應速率較慢，易失活，反應條件較溫和4.優(yōu)化固定化方法5.標準電極電勢差，內阻6.固定化7.生物質三、簡答題1.催化劑失活原因：酶易受pH、溫度、有機溶劑等影響而變性失活；微生物可能因營養(yǎng)耗盡、毒性物質積累、競爭等而死亡或代謝活性降低；固定化載體老化或破損；電極材料腐蝕。2.酶固定化方法：吸附法（物理吸附、離子吸附）、包埋法（凝膠包埋、膜包埋）、共價鍵合法、交聯法、納米材料負載法等。特點：提高酶穩(wěn)定性、重復使用性、易分離；可能降低酶活性或改變動力學特性。微生物固定化方法：吸附法、包埋法、共價鍵合法、生物膜法等。特點：類似酶固定化，提高微生物穩(wěn)定性、重復使用性、易分離；生物膜法是微生物自組織形成，操作簡單但控制較難。3.提高選擇性意義：確保催化劑主要催化目標反應，減少能量損失和副產物生成，提高燃料電池的能量轉換效率和輸出性能，延長電池壽命。4.主要挑戰(zhàn)：催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性不足；成本過高；抗干擾能力差（如耐抑制劑）；生物催化劑壽命有限；器件小型化、長期穩(wěn)定運行和規(guī)模化制備技術有待突破。四、論述題1.生物相容性重要性：指催化劑（包括酶、微生物、載體）與電池其他組分（如電解質、電極材料）以及電池工作環(huán)境（pH、溫度、電位）的協調性。良好的生物相容性確保催化劑在電池工作條件下能保持結構和功能的穩(wěn)定，維持高效的催化活性，避免產生不良反應或毒性副產物，從而提高電池的整體性能和壽命。例如，用于堿性MFC的陰極材料需具有良好的生物相容性，避免對厭氧菌群落造成毒害。2.關鍵因素及解決方案：關鍵因素包括催化劑性能（活性、穩(wěn)定性、選擇性）、電池效率、成本、燃料適用性、長期運行穩(wěn)定性、環(huán)境適應性。解決方案：針對催化劑性能，可通過基因工程改造微生物、篩選高效天然酶/微生物、開發(fā)新型生物無機催化劑等提高性能；針對效率，需優(yōu)化電極結構、改進傳質過程、降低內阻等；針對成本，可探索低成本固定化技術、生物合成材料、規(guī)?；a等；針對長期運行，需改進固定化方法、抗失活策略、器件封裝技術等。3.發(fā)展?jié)摿胺较颍悍律蛏餆o機催化劑結合了生物分子的選擇性識別和催化能力與無機材料的穩(wěn)定性、高活性位點密度和易修飾性，有望克服純酶或純無機催化劑的局限性。發(fā)展?jié)摿薮?。研究方向包括：設計具有特定催化活性和穩(wěn)