2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——生物質(zhì)水解產(chǎn)物的氫氣生產(chǎn)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.下列哪種方法不屬于生物質(zhì)常見的物理預處理方式？A.堿液處理B.高溫蒸汽爆破C.機械粉碎D.化學氧化2.纖維素分子中主要的化學鍵是？A.脂肪酸酯鍵B.糖苷鍵C.氨基酸肽鍵D.磷酸酯鍵3.下列哪種微生物屬于光合產(chǎn)氫菌？A.沙門氏菌B.紅螺菌C.產(chǎn)氣腸桿菌D.乙酸菌4.在酸水解過程中，通常使用哪種酸作為催化劑？A.氫氧化鈉B.硫酸C.氫氧化鈣D.乙醇5.下列哪個不是影響酶水解效率的重要因素？A.溫度B.pHC.底物濃度D.催化劑價格6.在發(fā)酵法產(chǎn)氫過程中，為了提高產(chǎn)氫速率和效率，常采用的策略之一是？A.降低底物濃度B.增加氧氣供應C.微生物共培養(yǎng)D.提高產(chǎn)物濃度7.用于化學法分解水解產(chǎn)物制備氫氣的催化劑，其主要作用是？A.催化發(fā)酵B.吸附雜質(zhì)C.降低反應活化能D.分離氫氣8.下列哪種方法不屬于生物質(zhì)制氫過程的產(chǎn)物分離技術？A.活性炭吸附B.壓縮冷卻C.膜分離D.中和反應9.水煤氣變換反應的化學方程式是？CO+H?O?CO?+H?。該反應是可逆的，為了提高CO轉化率，應采取的措施是？A.降低溫度、高壓B.升高溫度、低壓C.使用非均相催化劑D.增大H?O比例10.與傳統(tǒng)天然氣重整制氫相比，生物質(zhì)制氫的主要優(yōu)勢之一是？A.能源密度更高B.初始投資更低C.環(huán)境更友好D.技術更成熟二、填空題（請將答案填入橫線上）1.生物質(zhì)主要由________、________和少量脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等組成。2.纖維素水解的最終產(chǎn)物通常是________和________。3.光發(fā)酵產(chǎn)氫和Dark發(fā)酵產(chǎn)氫的主要區(qū)別在于是否需要________的存在。4.常見的化學法產(chǎn)氫催化劑中，________系催化劑因成本高、易中毒而限制其應用。5.影響電化學析氫反應速率的關鍵因素包括________、________和催化劑活性。6.生物質(zhì)制氫過程的經(jīng)濟性主要受________、________和氫氣純度等因素影響。7.將生物質(zhì)水解得到的糖類直接轉化為乙醇的過程，屬于________發(fā)酵。8.為了提高生物質(zhì)水解產(chǎn)物的收率和質(zhì)量，通常需要對生物質(zhì)進行________預處理。9.生物質(zhì)制氫技術面臨的挑戰(zhàn)之一是________的效率和經(jīng)濟性。10.利用綠色植物光合作用產(chǎn)生的能量來驅動水分解制氫，是________方向的研究內(nèi)容。三、名詞解釋（請給出下列名詞的準確定義）1.生物質(zhì)預處理2.纖維素酶3.產(chǎn)氣菌4.催化劑中毒5.氫氣選擇性四、簡答題（請簡要回答下列問題）1.簡述酸水解和酶水解生物質(zhì)纖維素的原理和主要區(qū)別。2.簡述發(fā)酵法產(chǎn)氫過程中，影響產(chǎn)氫效率的主要微生物因素。3.簡述化學法（如水煤氣變換反應）制備氫氣的基本原理。4.簡述電化學析氫反應的基本過程及其優(yōu)點。5.簡述生物質(zhì)制氫過程可能面臨的主要環(huán)境友好性問題。五、論述題（請結合所學知識，深入分析和闡述下列問題）1.比較發(fā)酵法與化學/電化學法生產(chǎn)氫氣的優(yōu)缺點，并分析各自未來的發(fā)展方向。2.闡述提高生物質(zhì)水解產(chǎn)物（葡萄糖、木糖等）化學法轉化效率的關鍵途徑和面臨的挑戰(zhàn)。3.探討生物質(zhì)制氫技術實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化所需要克服的主要技術、經(jīng)濟和基礎設施障礙。試卷答案一、選擇題1.A*解析思路：堿液處理（如NaOH,NaOH+NH?）屬于化學預處理，高溫蒸汽爆破屬于物理預處理，機械粉碎屬于物理預處理，化學氧化（如臭氧氧化）屬于化學預處理。因此，堿液處理不屬于物理預處理。2.B*解析思路：纖維素是由葡萄糖單元通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的線性高分子多糖。糖苷鍵是構成纖維素分子結構的基本化學鍵。3.B*解析思路：紅螺菌屬（Rhodospirillum）等是典型的光合產(chǎn)氫菌，能在厭氧和光照條件下利用有機物或無機物（如H?）進行光合作用并產(chǎn)生氫氣。沙門氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌、乙酸菌通常歸類為產(chǎn)氫發(fā)酵菌。4.B*解析思路：酸水解是最早商業(yè)化的纖維素水解方法，常用濃硫酸（H?SO?）、濃鹽酸（HCl）等無機強酸作為催化劑，利用酸的質(zhì)子（H?）催化解聚反應。5.D*解析思路：溫度、pH、底物濃度都會顯著影響酶的活性中心和底物結合，從而影響酶水解效率。而催化劑價格是經(jīng)濟性因素，不影響其催化效率本身。6.C*解析思路：微生物共培養(yǎng)可以利用不同微生物之間的協(xié)同作用，如一種微生物產(chǎn)生的酶或代謝產(chǎn)物可以被另一種微生物利用，從而提高整體代謝效率或產(chǎn)物（氫氣）的生成速率。降低底物濃度通常會降低產(chǎn)氫速率，增加氧氣可能抑制厭氧產(chǎn)氫菌，提高產(chǎn)物濃度可能導致反饋抑制。7.C*解析思路：催化劑的核心功能是降低化學反應的活化能，從而加速反應速率，使水解產(chǎn)物能夠更快速、更有效地轉化為氫氣。8.D*解析思路：活性炭吸附、壓縮冷卻、膜分離都是用于分離氫氣（或其他氣體）的物理或膜分離技術。中和反應是處理酸性或堿性廢液的過程，不屬于產(chǎn)物分離。9.B*解析思路：根據(jù)勒夏特列原理，對于可逆反應CO+H?O?CO?+H?，升高溫度有利于吸熱方向（正向反應），降低壓力有利于氣體分子數(shù)增多方向（正向反應）。因此，升高溫度、低壓有利于提高CO轉化率。使用非均相催化劑主要影響反應速率，對平衡轉化率影響不大。增大H?O比例有利于正向，但效果不如改變溫度和壓力顯著。10.C*解析思路：生物質(zhì)是可再生資源，其燃燒或轉化過程相比化石燃料（天然氣）產(chǎn)生的溫室氣體排放量較小，對環(huán)境更友好。生物質(zhì)制氫的能源密度通常低于天然氣，初始投資可能較高，技術成熟度也相對較低。二、填空題1.纖維素，半纖維素*解析思路：生物質(zhì)中含量最高的兩種主要結構多糖是纖維素和半纖維素，它們共同構成了植物細胞壁的主要結構骨架。2.葡萄糖，木糖*解析思路：纖維素水解的最終產(chǎn)物是葡萄糖。半纖維素的結構較為復雜，主要水解產(chǎn)物是木糖，也可能產(chǎn)生阿拉伯糖、鼠李糖等。3.光照*解析思路：光發(fā)酵產(chǎn)氫需要利用光能作為能量來源，黑暗條件下無法進行。Dark發(fā)酵雖然也需要有機底物，但不需要光照。4.鉑（Pt）*解析思路：貴金屬鉑（Pt）具有極高的催化活性，特別適用于電化學析氫和某些化學反應，但其價格非常昂貴，限制了在工業(yè)化大規(guī)模制氫中的應用。5.電流密度，電解液性質(zhì)*解析思路：電流密度表示電極單位表面積上的電流大小，直接影響反應速率。電解液的pH、離子強度、含有毒雜質(zhì)等都會影響電化學反應的速率和效率，進而影響催化劑性能。6.原料成本，設備投資*解析思路：生物質(zhì)原料的獲取、處理成本是主要經(jīng)濟支出。建設和運行制氫設備的投資額也極大地影響整體經(jīng)濟性。氫氣純度要求越高，分離提純成本也越高。7.乙醇*解析思路：將糖類（如葡萄糖、木糖）轉化為乙醇的過程，即糖類經(jīng)過酵母等微生物的發(fā)酵作用生成乙醇和二氧化碳，這屬于典型的乙醇發(fā)酵。8.物理*解析思路：物理預處理旨在破壞植物細胞壁的致密結構，增加后續(xù)化學或生物水解的效率，常用方法包括機械粉碎、蒸汽爆破、超聲波處理等?；瘜W預處理使用化學試劑溶解或交聯(lián)成分。9.水解/轉化*解析思路：生物質(zhì)制氫過程的核心環(huán)節(jié)是將生物質(zhì)中的化學能（儲存在C-H,C-C鍵中）轉化為氫氣的化學能。提高水解（纖維素、半纖維素）或后續(xù)轉化（發(fā)酵、化學）步驟的效率至關重要。10.光合作用水分解*解析思路：利用植物通過光合作用固定二氧化碳和儲存的化學能，再結合其他技術（如光驅動水分解催化劑）來制取氫氣，是實現(xiàn)可再生能源驅動的氫氣生產(chǎn)的前沿探索方向。三、名詞解釋1.生物質(zhì)預處理：指在生物質(zhì)轉化（如制氫、制乙醇、發(fā)電）之前，采用物理、化學或生物等方法，改變生物質(zhì)的結構或化學組成，以降低后續(xù)轉化過程的難度、提高轉化效率、獲得目標產(chǎn)物純度或保護催化劑的技術過程。2.纖維素酶：一種復合酶，主要由內(nèi)切酶（CMC酶）、外切酶（CBH酶）和β-葡萄糖苷酶組成，能夠特異性地水解纖維素分子中的β-1,4-糖苷鍵，將其降解為寡糖或葡萄糖。3.產(chǎn)氣菌：一類在厭氧條件下，能夠利用有機底物（如葡萄糖、木糖）通過發(fā)酵或化能異化作用產(chǎn)生氫氣（H?）的微生物。4.催化劑中毒：指催化劑表面的活性位點被反應體系中某些物質(zhì)（如毒物）吸附、覆蓋或發(fā)生化學作用，導致其催化活性顯著降低甚至喪失的現(xiàn)象。這些毒物稱為催化劑毒物。5.氫氣選擇性：在多組分反應體系中，指催化劑在促進目標反應（如產(chǎn)氫）的同時，對副反應（產(chǎn)生其他不需要的產(chǎn)物）的抑制能力。高選擇性意味著催化劑能更有效地將底物轉化為目標氫氣，減少其他副產(chǎn)物的生成。四、簡答題1.答：酸水解是利用濃酸（如硫酸、鹽酸）在高溫高壓條件下，通過質(zhì)子（H?）進攻纖維素分子中的β-1,4-糖苷鍵，使其斷裂，最終得到葡萄糖的過程。其原理是強酸提供高濃度的H?，降低反應活化能。酶水解是利用纖維素酶（一種生物催化劑）在較溫和的條件下（適宜溫度、pH），特異性地水解纖維素分子內(nèi)部的β-1,4-糖苷鍵，將其降解為寡糖（如cellobiose）和少量葡萄糖。主要區(qū)別在于：①催化劑：酸為無機化學催化劑，酶為生物催化劑；②條件：酸水解條件苛刻（高溫高壓），酶水解條件溫和；③選擇性：酸水解易產(chǎn)生糖酸等副產(chǎn)物，且對半纖維素破壞大，酶水解選擇性高，對半纖維素損傷小，產(chǎn)物純度較高。2.答：影響發(fā)酵法產(chǎn)氫效率的主要微生物因素包括：①微生物種類：不同菌種對底物的利用能力、產(chǎn)氫途徑、耐酸堿/鹽能力、生長速率、產(chǎn)氫速率和氫氣產(chǎn)量（產(chǎn)率）差異很大。例如，光合菌產(chǎn)氫通常效率更高但需要光照，厭氧菌在無氧條件下產(chǎn)氫。②菌株特性：同一菌種的不同菌株，其遺傳背景不同，可能導致在產(chǎn)氫效率、穩(wěn)定性、抗逆性等方面存在顯著差異。通過基因工程改造可以提升菌株性能。③微生物共培養(yǎng)：將不同功能微生物（如產(chǎn)糖菌、產(chǎn)氫菌、產(chǎn)乙酸菌等）進行共培養(yǎng)，可以實現(xiàn)底物梯次利用和代謝協(xié)同，提高整體產(chǎn)氫效率和經(jīng)濟性。④微生物群落結構：在復合微生物體系中，不同微生物間的相互作用（協(xié)同或競爭）會影響底物消耗速率和氫氣生成效率。3.答：化學法（特別是以水煤氣變換反應為代表）制備氫氣的基本原理是利用催化劑促進一氧化碳（CO）與水蒸氣（H?O）發(fā)生可逆反應，生成二氧化碳（CO?）和氫氣（H?）。化學方程式為：CO+H?O?CO?+H?。該反應是一個放熱、體積增大的可逆反應。在實際工業(yè)應用中，通常將生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣（主要成分為CO和H?）中CO含量較高的部分送入變換爐，與水蒸氣在高壓、中溫（通常300-400°C）下，通過鐵基或銅基催化劑的作用，促使CO轉化為H?，從而提高氫氣濃度，降低后續(xù)分離成本，并副產(chǎn)CO?。4.答：電化學析氫反應（ElectrochemicalHydrogenEvolutionReaction,EEHR）是指在電化學裝置（如電解池）中，在電極表面，水分子（或氫氧根離子）在電場作用下，失去電子生成氫氣和氧氣（或氫氧根離子）的催化過程。其基本過程是在陰極（負極）上，水分子吸附在電極表面，催化劑幫助水分子失去電子（H?O+e?→OH?+H?或2H?O+2e?→H?+2OH?），生成的氫原子在表面結合形成氫分子（H?）并脫離電極表面。優(yōu)點包括：①過程環(huán)境友好，通常在近中性的水溶液中進行，不產(chǎn)生污染性副產(chǎn)物（除非電解水本身產(chǎn)生氧氣）；②可以利用可再生能源（如太陽能）產(chǎn)生的電能來制氫；③可以將氫氣與其他電化學過程（如電合成）集成；④催化劑選擇性和活性是關鍵，有望開發(fā)出高效、低成本的非貴金屬催化劑。5.答：生物質(zhì)制氫過程可能面臨的主要環(huán)境友好性問題包括：①水資源消耗：生物質(zhì)預處理（特別是酸堿處理、蒸汽爆破）和發(fā)酵過程都需要消耗大量水，尤其在干旱地區(qū)可能引發(fā)水資源緊張問題。②污染物排放：化學預處理可能產(chǎn)生酸性或堿性廢水，需要處理達標排放。發(fā)酵過程可能產(chǎn)生少量揮發(fā)性有機物（VOCs）或氨氣?；瘜W法轉化可能產(chǎn)生CO?等溫室氣體。③生物多樣性影響：大規(guī)模種植能源作物可能占用耕地，影響生態(tài)環(huán)境和生物多樣性。④土壤和土地利用：不合理的生物質(zhì)種植和管理可能對土壤肥力、水土保持帶來負面影響。因此，發(fā)展節(jié)水型預處理技術、高效廢水處理技術、捕獲利用轉化CO?以及采用混合生物質(zhì)或非糧原料是實現(xiàn)環(huán)境友好的關鍵。五、論述題1.答：發(fā)酵法與化學/電化學法生產(chǎn)氫氣的比較：①發(fā)酵法：利用生物催化劑（微生物），條件溫和，環(huán)境友好，可以利用廉價有機廢棄物，但效率相對較低，產(chǎn)物（如乙醇、乳酸）分離提純能耗高，微生物易受抑制，對底物選擇性強。化學/電化學法：利用化學催化劑或電極催化劑，反應條件通常較嚴苛（高溫、高壓或需外加電流），效率相對較高（特別是電化學），產(chǎn)物（H?）易于分離，不受菌種限制，但催化劑成本（尤其化學催化劑和貴金屬電極）較高，可能存在副反應和催化劑中毒問題，電化學法還需外部電源。發(fā)展方向：發(fā)酵法：開發(fā)高效產(chǎn)氫菌種（基因工程）、構建高效共培養(yǎng)體系、強化底物利用和產(chǎn)物分離耦合技術；化學/電化學法：開發(fā)低成本、高活性、高選擇性的非貴金屬催化劑，優(yōu)化反應工藝（如反應器設計），降低能耗，提高系統(tǒng)整體效率和經(jīng)濟性。兩者結合（如生物質(zhì)預處理后的化學轉化或電化學轉化，或發(fā)酵產(chǎn)物的化學升級制氫）是未來重要方向。2.答：提高生物質(zhì)水解產(chǎn)物（葡萄糖、木糖等）化學法轉化效率的關鍵途徑和面臨的挑戰(zhàn)：關鍵途徑：①開發(fā)高效、高選擇性的催化劑：特別是針對不同糖（葡萄糖、木糖等）和不同反應（如水煤氣變換、費托合成等）的多相催化劑，要求催化劑具有高活性、高選擇性（抑制副反應）、高穩(wěn)定性和抗中毒能力。②優(yōu)化反應條件：通過反應工程手段，精確調(diào)控溫度、壓力、反應物濃度、空間速數(shù)等參數(shù)，使反應盡量趨向平衡有利方向，并維持催化劑的活性。③改進反應器設計：選擇合適的反應器類型（如固定床、流化床、微反應器），優(yōu)化流體力學條件，增強傳質(zhì)傳熱效率，使反應物能夠快速達到反應界面，產(chǎn)物及時移出，避免積聚和副反應。④多相催化與分離一體化：開發(fā)反應-分離耦合的催化劑或工藝，如膜反應器，可以在反應過程中實現(xiàn)產(chǎn)物的選擇性分離，抑制副反應，提高整體效率和經(jīng)濟性。⑤底物預處理和改性：提高葡萄糖、木糖等單體的轉化利用效率，減少聚合或其他副反應。面臨的挑戰(zhàn)：①催化劑成本與壽命：高性能催化劑（特別是貴金屬）成本高昂，限制了其大規(guī)模應用。催化劑在長期運行下的失活（燒結、團聚、中毒）問題需要解決。②副反應難以完全抑制：在復雜的反應體系中，往往難以完全避免產(chǎn)生目標產(chǎn)物之外的副產(chǎn)物，降低了選擇性。③反應熱力學限制：某些轉化反應（如葡萄糖直接轉化）熱力學上并非最有利，轉化效率受到理論平衡的限制。④工藝集成與放大：將實驗室優(yōu)化的反應