2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——新型能源材料的設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋?zhuān)款}4分，共20分）1.能帶隙2.離子電導(dǎo)率3.溶膠-凝膠法4.超級(jí)電容器5.化學(xué)鍵理論二、填空題（每空2分，共30分）1.設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能電池材料時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括材料的__________、__________和__________等光電性能。2.鋰離子電池負(fù)極材料硅基材料面臨的主要挑戰(zhàn)是其在充放電過(guò)程中巨大的__________和較差的__________。3.燃料電池中，質(zhì)子交換膜的作用是傳導(dǎo)__________，并起到__________和__________的作用。4.X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析物質(zhì)的__________和__________。5.水熱合成法通常在__________和__________的密閉容器中進(jìn)行，可以合成具有__________和__________等特性的材料。6.設(shè)計(jì)用于鋰離子電池正極的材料時(shí)，通常希望其具有合適的__________、較高的__________和良好的__________。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述利用能帶理論設(shè)計(jì)半導(dǎo)體光伏材料的原理。2.比較水熱合成法和溶劑熱合成法的異同點(diǎn)。3.解釋什么是缺陷工程，以及如何通過(guò)引入缺陷來(lái)調(diào)控能源材料的性能？4.闡述超級(jí)電容器與鋰離子電池在工作原理、能量密度、功率密度方面的主要區(qū)別。5.簡(jiǎn)述X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）技術(shù)在能源材料表征中的應(yīng)用，可以提供哪些信息？四、論述題（每題15分，共30分）1.論述石墨烯材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域（如鋰離子電池、超級(jí)電容器、燃料電池）的應(yīng)用前景及其面臨的挑戰(zhàn)。2.以一種你熟悉的新型能源材料（例如，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料、鈉離子電池電極材料、某種新型催化劑等）為例，詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)思路、合成方法、關(guān)鍵性能及其在能源應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足，并提出可能的改進(jìn)方向。試卷答案一、名詞解釋1.能帶隙：指半導(dǎo)體材料中允許電子存在的導(dǎo)帶底和禁帶頂之間的能量范圍，電子需要獲得足夠的能量才能跨越禁帶從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。*解析思路：考察對(duì)半導(dǎo)體基本能帶結(jié)構(gòu)概念的理解。能帶隙是半導(dǎo)體的核心特征，決定了其導(dǎo)電性，是光伏材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。2.離子電導(dǎo)率：指電解質(zhì)材料中離子定向移動(dòng)導(dǎo)電的能力，是衡量固體電解質(zhì)或離子液體等材料離子傳輸性能的重要指標(biāo)。*解析思路：考察對(duì)離子導(dǎo)體基本概念的理解。離子電導(dǎo)率直接影響電池等器件的離子傳輸速率，從而影響其倍率性能和功率密度。3.溶膠-凝膠法：一種濕化學(xué)合成方法，通過(guò)溶液中的溶質(zhì)（如金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽）發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成溶膠（納米級(jí)粒子分散的液態(tài)體系），再經(jīng)過(guò)陳化、脫水和固化等步驟得到凝膠，最終通過(guò)干燥和熱處理得到目標(biāo)材料。*解析思路：考察對(duì)一種常用材料合成方法的理解。溶膠-凝膠法是合成玻璃、陶瓷、薄膜及復(fù)合材料的重要方法，尤其適用于制備多孔或納米結(jié)構(gòu)材料。4.超級(jí)電容器：一種介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能裝置，主要通過(guò)電雙電層電容或贗電容進(jìn)行儲(chǔ)能，具有充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度高但能量密度相對(duì)較低的特點(diǎn)。*解析思路：考察對(duì)超級(jí)電容器基本概念和特點(diǎn)的理解。它區(qū)別于傳統(tǒng)電容器（純雙電層）和電池（贗電容或可逆紅ox反應(yīng)），強(qiáng)調(diào)其快速充放電和高循環(huán)壽命的優(yōu)勢(shì)。5.化學(xué)鍵理論：研究原子之間如何通過(guò)相互作用形成分子或固體的理論，旨在解釋物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)。常見(jiàn)的化學(xué)鍵理論包括離子鍵理論、共價(jià)鍵理論、金屬鍵理論等。*解析思路：考察對(duì)化學(xué)基礎(chǔ)理論的理解。化學(xué)鍵理論是理解材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)，對(duì)于指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)至關(guān)重要。二、填空題1.設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能電池材料時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括材料的__________（決定吸收太陽(yáng)光的能力）、__________（決定光生載流子的分離效率）和__________（決定器件的開(kāi)路電壓和填充因子）等光電性能。*解析思路：考察對(duì)太陽(yáng)能電池工作原理和材料設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的理解。材料的吸收光譜、內(nèi)量子效率和外部量子效率都與能級(jí)結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)等密切相關(guān)。2.鋰離子電池負(fù)極材料硅基材料面臨的主要挑戰(zhàn)是其在充放電過(guò)程中巨大的__________（體積膨脹/收縮）和較差的__________（循環(huán)穩(wěn)定性/結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）。*解析思路：考察對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料（特別是硅負(fù)極）研究現(xiàn)狀和面臨瓶頸的理解。硅的高比容量伴隨著嚴(yán)重的體積變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粉化，是限制其應(yīng)用的主要問(wèn)題。3.燃料電池中，質(zhì)子交換膜的作用是傳導(dǎo)__________（質(zhì)子H+），并起到__________（隔膜）、__________（防止燃料氣和氧化氣混合）的作用。*解析思路：考察對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）核心組件質(zhì)子交換膜功能的理解。質(zhì)子交換膜負(fù)責(zé)質(zhì)子傳導(dǎo)，同時(shí)作為物理和化學(xué)屏障。4.X射線(xiàn)衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析物質(zhì)的__________（晶體結(jié)構(gòu)）和__________（物相組成）。*解析思路：考察對(duì)XRD技術(shù)主要應(yīng)用方向的掌握。XRD是確定材料是否結(jié)晶、晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及物相純度的核心表征手段。5.水熱合成法通常在__________（高溫）和__________（高壓）的密閉容器中進(jìn)行，可以合成具有__________（特殊形貌，如納米顆粒、納米線(xiàn)、納米管）和__________（特殊組成或結(jié)構(gòu)，如固溶體、摻雜）等特性的材料。*解析思路：考察對(duì)水熱合成方法條件及其優(yōu)勢(shì)的理解。高溫高壓環(huán)境有利于溶解度增大、抑制副反應(yīng)，并能合成常規(guī)方法難以制備的特種結(jié)構(gòu)和材料。6.設(shè)計(jì)用于鋰離子電池正極的材料時(shí)，通常希望其具有合適的__________（放電電壓）、較高的__________（比容量）和良好的__________（循環(huán)壽命/穩(wěn)定性）。*解析思路：考察對(duì)鋰離子電池正極材料性能要求的理解。放電電壓決定電池電壓，比容量決定能量密度，循環(huán)壽命影響電池實(shí)用壽命。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述利用能帶理論設(shè)計(jì)半導(dǎo)體光伏材料的原理。*解析思路：要求闡述能帶結(jié)構(gòu)如何影響光電轉(zhuǎn)換效率。核心在于：材料的帶隙寬度需要適中（太大吸收系數(shù)低，太小熱激發(fā)電流大且易復(fù)合），以有效吸收太陽(yáng)光譜并產(chǎn)生足夠高的光生載流子；需要具有合適的能級(jí)對(duì)以促進(jìn)電子-空穴對(duì)的有效分離；帶邊位置影響開(kāi)路電壓。設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮禁帶寬度、能級(jí)對(duì)位置、缺陷態(tài)密度等。2.比較水熱合成法和溶劑熱合成法的異同點(diǎn)。*解析思路：要求對(duì)比兩種濕化學(xué)合成方法。相同點(diǎn)：都是在密閉容器中，在水或有機(jī)溶劑等液體介質(zhì)中進(jìn)行，高溫高壓條件，都可以制備納米材料等。不同點(diǎn)主要在于反應(yīng)溶劑的不同：水熱法使用水作為溶劑，溶劑熱法使用有機(jī)溶劑（或水與有機(jī)溶劑混合物）作為溶劑。這導(dǎo)致了溶解度、反應(yīng)活性、產(chǎn)物種類(lèi)和形貌可能存在差異。水熱法更常見(jiàn)，溶劑熱法適用于難溶于水的金屬前驅(qū)體。3.解釋什么是缺陷工程，以及如何通過(guò)引入缺陷來(lái)調(diào)控能源材料的性能？*解析思路：要求定義缺陷工程并說(shuō)明其對(duì)材料性能的調(diào)控作用。缺陷工程是指通過(guò)intentional地引入或調(diào)控材料晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷（空位、填隙原子、取代原子）、線(xiàn)缺陷（位錯(cuò)）、面缺陷（晶界、表面）或體缺陷（孔洞、層錯(cuò)）等，來(lái)改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)。引入缺陷可以：改變能帶結(jié)構(gòu)（如引入雜質(zhì)能級(jí)，用于摻雜或調(diào)控光電轉(zhuǎn)換），增加活性位點(diǎn)（如提高催化活性），調(diào)節(jié)離子/電子傳輸通道（如改善電導(dǎo)率），影響材料的穩(wěn)定性（如通過(guò)鈍化表面缺陷提高耐腐蝕性），甚至改變磁性、光學(xué)性質(zhì)等。具體調(diào)控方式取決于缺陷類(lèi)型、濃度、分布以及材料本身的性質(zhì)。4.闡述超級(jí)電容器與鋰離子電池在工作原理、能量密度、功率密度方面的主要區(qū)別。*解析思路：要求對(duì)比兩種儲(chǔ)能裝置的核心差異。工作原理：超級(jí)電容器主要通過(guò)物理過(guò)程儲(chǔ)能——雙電層電容利用電極表面與電解質(zhì)離子間的靜電吸引（EDLC）或贗電容利用電極材料表面的快速、可逆的氧化還原反應(yīng)（類(lèi)似電池，但速率極快）。鋰離子電池則通過(guò)化學(xué)過(guò)程儲(chǔ)能，鋰離子在正負(fù)極材料之間發(fā)生可逆的嵌入/脫嵌（或轉(zhuǎn)化）。能量密度：鋰離子電池通常遠(yuǎn)高于超級(jí)電容器（數(shù)倍至十?dāng)?shù)倍）。功率密度：超級(jí)電容器遠(yuǎn)高于鋰離子電池（可達(dá)到數(shù)千瓦/千克，鋰離子電池通常為數(shù)百瓦/千克），意味著超級(jí)電容器充電/放電速度極快。循環(huán)壽命：超級(jí)電容器通常具有非常長(zhǎng)的循環(huán)壽命（數(shù)萬(wàn)次甚至更多），鋰離子電池相對(duì)較短（數(shù)百至數(shù)千次）。安全性：超級(jí)電容器一般更安全，鋰離子電池存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。5.簡(jiǎn)述X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）技術(shù)在能源材料表征中的應(yīng)用，可以提供哪些信息？*解析思路：要求說(shuō)明XPS技術(shù)的原理及其在能源材料表征中的具體應(yīng)用信息。XPS利用X射線(xiàn)照射樣品，探測(cè)被激發(fā)出來(lái)的光電子，根據(jù)光電子的能量可以確定其來(lái)源原子序數(shù)（元素組成），并根據(jù)結(jié)合能的變化進(jìn)行表面化學(xué)態(tài)分析。在能源材料中，XPS可用于：定量分析元素組成（特別是表面元素）；確定表面元素的化學(xué)價(jià)態(tài)（如金屬的氧化態(tài)、硫的價(jià)態(tài)等），這對(duì)于理解催化活性位點(diǎn)、材料穩(wěn)定性、電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理至關(guān)重要；分析表面吸附物種、表面缺陷（如氧空位）；研究表面鈍化層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；評(píng)估材料的表面均勻性。它是研究能源材料表面和近表面性質(zhì)的有力工具。四、論述題1.論述石墨烯材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域（如鋰離子電池、超級(jí)電容器、燃料電池）的應(yīng)用前景及其面臨的挑戰(zhàn)。*解析思路：要求全面討論石墨烯在多個(gè)能源應(yīng)用領(lǐng)域的潛力與瓶頸。應(yīng)用前景：①鋰離子電池：作為負(fù)極材料，可提供極高的比容量和倍率性能；作為正極材料或?qū)щ娞砑觿?，可提高電極電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；作為固體電解質(zhì)或鋰金屬負(fù)極的隔膜，可改善離子傳輸和安全性。②超級(jí)電容器：作為雙電層電容器的電極材料，可提供極高的比表面積和電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度和功率密度；作為贗電容電極材料，可提供額外的儲(chǔ)能機(jī)制。③燃料電池：作為催化劑載體（如負(fù)載鉑催化劑），可提高催化活性和穩(wěn)定性，降低催化劑用量和成本；作為氣體擴(kuò)散層，可改善氣體滲透性和電導(dǎo)率。面臨的挑戰(zhàn)：①分散性：石墨烯易于團(tuán)聚，影響其比表面積的有效利用和電接觸。②穩(wěn)定性：在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中，石墨烯可能發(fā)生氧化、破損或與電解液反應(yīng)，導(dǎo)致性能衰減。③規(guī)?；苽洌焊哔|(zhì)量、低成本、大規(guī)模制備石墨烯的方法仍需完善。④器件集成：將石墨烯材料有效地集成到實(shí)際的儲(chǔ)能器件中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的器件性能仍有技術(shù)難度。2.以一種你熟悉的新型能源材料（例如，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料、鈉離子電池電極材料、某種新型催化劑等）為例，詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)思路、合成方法、關(guān)鍵性能及其在能源應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足，并提出可能的改進(jìn)方向。*解析思路：要求選擇一種具體材料進(jìn)行深入剖析，涵蓋設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用的全鏈條。以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料（以ABX?型鈣鈦礦為例，如甲脒鈣鈦礦FAPbI?）為例：*設(shè)計(jì)思路：目標(biāo)是設(shè)計(jì)出帶隙接近太陽(yáng)光譜最佳吸收值（約1.34eV）、具有高光吸收系數(shù)、長(zhǎng)載流子壽命、高遷移率、優(yōu)良穩(wěn)定性（光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性）且制備成本低的材料。設(shè)計(jì)通常圍繞組分工程（如A位、B位、X位摻雜或替代）、結(jié)構(gòu)工程（如形成二維鈣鈦礦、多層結(jié)構(gòu)）、缺陷工程（引入缺陷鈍化表面或能級(jí)）、形貌工程（單晶、微晶、納米晶）等方面展開(kāi)。*合成方法：常用方法包括溶液法（如旋涂、噴涂、狹縫涂覆，使用前驅(qū)體溶液；或水熱/溶劑熱法）、氣相沉積法（如MOCVD、MBE）、熱注射法等。溶液法因其低成本、易于大面積制備而備受關(guān)注。*關(guān)鍵性能：①光電性能：高光吸收系數(shù)（吸收邊可達(dá)紫外區(qū)）、合適的帶隙（單晶FAPbI?約為1.55eV）。②載流子動(dòng)力學(xué)：長(zhǎng)載流子壽命（可達(dá)微秒級(jí)）和高遷移率（可達(dá)cm2/Vs），有利于電荷分離和收集。③穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，尤其是光穩(wěn)定性（易光致降解）和熱穩(wěn)定性（易熱分解）。④開(kāi)路電壓和填充因子：通常較高，但填充因子受載流子復(fù)合影響。*優(yōu)勢(shì)：①優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率：?jiǎn)尉р}鈦礦電池效率已接近或超過(guò)20%，是目前最高效的光伏器件之一。②可溶液加工：成本低，易于實(shí)現(xiàn)大面積、柔性、輕質(zhì)化器件。③可調(diào)諧性：通過(guò)組分工程可以方便地調(diào)節(jié)帶隙、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。④易于與其他材料耦合：易于與有機(jī)半導(dǎo)體、金屬氧化物等形成疊層器件，拓展應(yīng)用范圍。*不足：①穩(wěn)定性：長(zhǎng)期穩(wěn)定性（尤其戶(hù)外應(yīng)用）仍需提高。②鉛毒性：Pb基鈣鈦礦存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，需要開(kāi)發(fā)