2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——燃料電池技術(shù)的新型催化劑設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種燃料電池不屬于固體氧化物燃料電池（SOFC）？（）A.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）B.堿性燃料電池（AFC）C.固體氧化物燃料電池（SOFC）D.直接甲醇燃料電池（DMFC）2.燃料電池中，質(zhì)子交換膜的主要作用是（）。A.電解質(zhì)B.導(dǎo)電體C.催化劑D.雙極板3.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，常用的陽極催化劑是（）。A.鈷基氧化物B.鎳基催化劑C.鉑基催化劑D.鈣鈦礦型催化劑4.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，常用的陰極催化劑是（）。A.鉑基催化劑B.鈷基氧化物C.鎳基催化劑D.鈣鈦礦型催化劑5.堿性燃料電池（AFC）中，常用的陰極催化劑是（）。A.鉑基催化劑B.鈷基催化劑C.鎳基催化劑D.氧化鐵6.固體氧化物燃料電池（SOFC）中，常用的陰極催化劑是（）。A.鉑基催化劑B.鈷基催化劑C.鎳基催化劑D.鈣鈦礦型催化劑7.下列哪種材料不屬于非貴金屬催化劑？（）A.鈷B.鎳C.鉑D.鈷氧化物8.金屬有機(jī)框架材料（MOFs）在燃料電池催化劑設(shè)計中具有哪些優(yōu)勢？（）A.高比表面積B.可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)C.易于制備D.以上都是9.碳基材料在燃料電池催化劑設(shè)計中具有哪些優(yōu)勢？（）A.高導(dǎo)電性B.高穩(wěn)定性C.易于制備D.以上都是10.燃料電池催化劑設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.提高催化劑的活性B.降低催化劑的成本C.提高催化劑的穩(wěn)定性D.以上都是二、填空題（每空1分，共20分）1.燃料電池是一種將______直接轉(zhuǎn)換成______的裝置。2.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，質(zhì)子通過______傳輸。3.堿性燃料電池（AFC）中，離子通過______傳輸。4.固體氧化物燃料電池（SOFC）中，離子通過______傳輸。5.鉑基催化劑是目前最常用的燃料電池催化劑，但其主要缺點(diǎn)是______。6.非貴金屬催化劑的研究重點(diǎn)是提高其______和______。7.金屬有機(jī)框架材料（MOFs）是由______和______自組裝形成的具有周期性孔道結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多面體。8.碳基材料在燃料電池催化劑設(shè)計中，通常需要通過______等方法進(jìn)行改性，以提高其催化活性。9.燃料電池催化劑的制備方法主要包括______、______和______等。10.燃料電池催化劑的表征技術(shù)主要包括______、______和______等。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的工作原理。2.簡述堿性燃料電池（AFC）的工作原理。3.簡述固體氧化物燃料電池（SOFC）的工作原理。4.簡述新型燃料電池催化劑設(shè)計的原則和思路。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述非貴金屬催化劑在燃料電池中的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。2.論述金屬有機(jī)框架材料（MOFs）在燃料電池催化劑設(shè)計中的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。五、計算題（每題10分，共20分）1.已知某質(zhì)子交換膜燃料電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下工作，電池的電壓為0.6V，電流密度為100mA/cm2，求該電池的功率密度是多少？（假設(shè)電池的電極面積為1cm2）2.已知某堿性燃料電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下工作，電池的電壓為0.8V，電流密度為150mA/cm2，求該電池的轉(zhuǎn)換效率是多少？（假設(shè)燃料為氫氣，氧氣）六、實(shí)驗題（每題10分，共20分）1.設(shè)計一個實(shí)驗方案，用于制備一種新型的碳基燃料電池催化劑，并簡要說明實(shí)驗步驟和預(yù)期結(jié)果。2.設(shè)計一個實(shí)驗方案，用于表征一種新型的金屬有機(jī)框架材料（MOFs）作為燃料電池催化劑的性能，并簡要說明實(shí)驗步驟和預(yù)期結(jié)果。試卷答案一、選擇題1.A2.A3.C4.B5.C6.D7.C8.D9.D10.D二、填空題1.化學(xué)能；電能2.質(zhì)子交換膜3.堿性電解質(zhì)4.固體電解質(zhì)5.成本高、資源有限6.活性；穩(wěn)定性7.有機(jī)配體；金屬離子（或金屬簇）8.精密控制孔徑；表面改性9.水熱法；溶膠-凝膠法；模板法10.X射線衍射；透射電子顯微鏡；X射線光電子能譜三、簡答題1.答：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種以質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，在陽極將氫氣氧化成質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)疥帢O，電子通過外部電路流向陰極，在陰極質(zhì)子和電子與氧氣反應(yīng)生成水的電池。其工作原理可以概括為：陽極反應(yīng)：H?→2H?+2e?；陰極反應(yīng)：?O?+2H?+2e?→H?O；總反應(yīng)：H?+?O?→H?O。2.答：堿性燃料電池（AFC）是一種以堿性電解質(zhì)（如氫氧化鉀溶液）為電解質(zhì)，在陽極將氫氣氧化成質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)傳輸?shù)疥帢O，電子通過外部電路流向陰極，在陰極質(zhì)子和電子與氧氣反應(yīng)生成水的電池。其工作原理可以概括為：陽極反應(yīng)：H?→2H?+2e?；陰極反應(yīng)：?O?+2H?+2e?→H?O；總反應(yīng)：H?+?O?→H?O。3.答：固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種以固體氧化物電解質(zhì)（如氧化鋯基材料）為電解質(zhì)，在高溫（通常為600-1000°C）下工作，在陽極將燃料（通常是氫氣或碳?xì)淙剂希┭趸呻x子和電子，離子通過固體電解質(zhì)傳輸?shù)疥帢O，電子通過外部電路流向陰極，在陰極離子和電子與氧氣反應(yīng)生成氧化物的電池。其工作原理可以概括為：陽極反應(yīng)：燃料+O2?→產(chǎn)物+2e?；陰極反應(yīng)：?O?+2e?→O2?；總反應(yīng)：燃料+?O?→產(chǎn)物。4.答：新型燃料電池催化劑設(shè)計的原則和思路主要包括：①提高催化劑的活性，即降低反應(yīng)過電位，提高反應(yīng)速率；②提高催化劑的穩(wěn)定性，即提高催化劑的抗中毒性能和長期運(yùn)行穩(wěn)定性；③降低催化劑的成本，即使用廉價的非貴金屬催化劑；④提高催化劑的導(dǎo)電性，即提高催化劑的本征電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率；⑤設(shè)計易于制備和分離回收的催化劑。設(shè)計思路主要包括：①利用理論計算和模擬方法預(yù)測和設(shè)計新型催化劑；②利用材料設(shè)計和合成方法制備具有特定結(jié)構(gòu)和組成的催化劑；③利用表面改性方法提高催化劑的活性、穩(wěn)定性和選擇性。四、論述題1.答：非貴金屬催化劑在燃料電池中的應(yīng)用前景廣闊，因為其成本低于貴金屬催化劑，且資源豐富。目前，非貴金屬催化劑的研究主要集中在提高其活性和穩(wěn)定性方面。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：①非貴金屬催化劑的本征活性通常低于貴金屬催化劑，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面改性等方法提高其活性；②非貴金屬催化劑容易發(fā)生氧化、燒結(jié)和中毒等現(xiàn)象，需要通過提高其穩(wěn)定性和抗中毒性能來延長其使用壽命。未來，隨著材料科學(xué)和計算化學(xué)的不斷發(fā)展，非貴金屬催化劑的性能將得到進(jìn)一步提升，并在燃料電池領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。2.答：金屬有機(jī)框架材料（MOFs）在燃料電池催化劑設(shè)計中的應(yīng)用前景廣闊，因為其具有高比表面積、可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)、豐富的組成和可設(shè)計的功能等優(yōu)點(diǎn)。MOFs可以用來負(fù)載貴金屬或非貴金屬催化劑，形成核殼結(jié)構(gòu)或雜化結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的活性、穩(wěn)定性和選擇性。此外，MOFs還可以作為電解質(zhì)或載體，在燃料電池中發(fā)揮重要作用。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：①M(fèi)OFs的穩(wěn)定性，特別是在高溫和酸性環(huán)境下；②MOFs的導(dǎo)電性，需要通過表面改性或雜化等方法提高其導(dǎo)電性；③MOFs的分離回收，需要開發(fā)高效的分離回收方法。未來，隨著MOFs材料的不斷發(fā)展和優(yōu)化，其在燃料電池催化劑設(shè)計中的應(yīng)用將更加廣泛。五、計算題1.答：功率密度是指單位電極面積的輸出功率，計算公式為：功率密度=電壓×電流密度。根據(jù)題目給出的數(shù)據(jù)，電壓為0.6V，電流密度為100mA/cm2，代入公式得到：功率密度=0.6V×100mA/cm2=0.06W/cm2。2.答：燃料電池的轉(zhuǎn)換效率是指將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，計算公式為：轉(zhuǎn)換效率=(電池輸出的電功率/燃料的化學(xué)能)×100%。電池輸出的電功率=電壓×電流密度=0.8V×150mA/cm2=0.12W/cm2。假設(shè)燃料為氫氣，其化學(xué)能可以通過燃燒熱來計算，氫氣的燃燒熱為285.8kJ/mol，1mol氫氣完全燃燒產(chǎn)生2mol電子，即96485C。根據(jù)法拉第定律，1C電子對應(yīng)的電能為1V。因此，1mol氫氣完全燃燒產(chǎn)生的電能為96485J。1cm2的氫氣燃料完全燃燒產(chǎn)生的電能為：96485J/mol×(1/22.4)mol/L×(1/1000)L/cm3=4.3J/cm3。因此，轉(zhuǎn)換效率=(0.12W/cm2/4.3J/cm3)×100%=2.79%。六、實(shí)驗題1.答：制備一種新型的碳基燃料電池催化劑的實(shí)驗方案如下：①材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備碳材料（如石墨烯、碳納米管等）、非貴金屬前驅(qū)體（如硝酸鈷、硝酸鎳等）和溶劑（如水、乙醇等）。②混合：將碳材料和非貴金屬前驅(qū)體溶解在溶劑中，形成均勻的混合溶液。③沉淀：將混合溶液加熱，使非貴金屬前驅(qū)體發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成碳基非貴金屬復(fù)合材料。④干燥：將沉淀物進(jìn)行干燥處理，去除溶劑。⑤煅燒：將干燥后的沉淀物在高溫下進(jìn)行煅燒，形成碳基非貴金屬催化劑。預(yù)期結(jié)果：制備出一種具有高比表面積、高活性和高穩(wěn)定性的碳基非貴金屬燃料電池催化劑。2.答：表征一種新型的金屬有機(jī)框架材料（MOFs）作為燃料電池催化劑的性能的實(shí)驗方案如下：①材料制備：根據(jù)目標(biāo)MOFs的結(jié)構(gòu)，選擇合適的有機(jī)配體和金屬離子（或金屬簇），通過溶劑熱法或水熱法等方法制備MOFs材料。②結(jié)構(gòu)表征：利用X射線衍射（XRD）等技術(shù)對MOFs材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行