2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)能源利用的新技術(shù)研究考試時間：______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在題后括號內(nèi)）1.下列哪種材料是當(dāng)前主流鈣鈦礦太陽能電池中最常用的空穴傳輸材料？A.碳納米管B.有機聚合物（如PTCDA）C.銅銦鎵硒（CIGS）D.鈦酸鋇（BaTiO3）2.燃料電池中，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的核心部件是？A.電解質(zhì)B.陽極C.陰極D.催化劑層3.下列哪種儲能技術(shù)主要利用鋰離子在正負極材料晶格結(jié)構(gòu)中的嵌入/脫嵌來實現(xiàn)能量存儲？A.飛輪儲能B.超級電容器C.鋰離子電池D.電化學(xué)雙電層超級電容器4.在氫燃料電池中，用于分離氫氣和氧氣的固載質(zhì)子交換膜（PEM）通常要求具備較高的化學(xué)穩(wěn)定性和？A.導(dǎo)熱性B.金屬離子透過率C.機械強度和耐久性D.電子導(dǎo)電性5.生物質(zhì)能通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化（如氣化、熱解）產(chǎn)生生物燃氣，其主要成分通常是？A.純凈的甲烷（CH4）B.氫氣（H2）和一氧化碳（CO）C.氧氣（O2）和氮氣（N2）D.乙醇（C2H5OH）和乙酸（CH3COOH）6.碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)中，“利用”環(huán)節(jié)主要指將捕集到的二氧化碳轉(zhuǎn)化為？A.固體地質(zhì)沉積物B.石油或天然氣C.可再生的化學(xué)品或燃料（如甲醇、乙酸）D.液態(tài)二氧化碳用于工業(yè)7.高效太陽能電池對材料的要求通常包括高光吸收系數(shù)、合適的帶隙和？A.高的電荷遷移率B.極低的表面缺陷C.良好的機械柔韌性D.高的熔點8.下列哪種儲能方式屬于物理儲能，主要通過壓縮氣體來存儲能量？A.鋰電池B.飛輪儲能C.渦輪儲能D.活塞式壓縮空氣儲能9.在電化學(xué)儲能系統(tǒng)中，提高能量密度通常意味著在相同重量或體積下儲存更多的？A.電荷B.能量C.電流D.電壓10.傳統(tǒng)化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)型，對資源化學(xué)領(lǐng)域提出的新挑戰(zhàn)主要在于？A.如何高效、低成本地開采和加工傳統(tǒng)能源資源B.如何開發(fā)高效、穩(wěn)定、環(huán)境友好的新型能源轉(zhuǎn)換與存儲材料和技術(shù)C.如何減少能源利用過程中的熱量損失D.如何降低能源化工產(chǎn)品的市場價格二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）1.鈣鈦礦太陽能電池的化學(xué)式通常表示為________。2.燃料電池根據(jù)電解質(zhì)的不同，主要可分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、______燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）。3.鋰離子電池中，充當(dāng)電子導(dǎo)體但離子絕緣體的材料通常稱為________。4.氫燃料電池的陰極反應(yīng)通常涉及氧氣的還原，在PEMFC中，該反應(yīng)主要生成________。5.生物質(zhì)熱解是一種典型的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)，其主要產(chǎn)物包括生物油、生物炭和________。6.在碳捕集技術(shù)中，吸收法利用________等溶劑吸收二氧化碳。7.用于制造太陽能電池的光伏材料，其能帶結(jié)構(gòu)需要滿足產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的基本條件，即具有合適的________和合適的禁帶寬度。8.超級電容器根據(jù)儲能機理不同，主要分為電化學(xué)雙電層超級電容器（EDLC）和________超級電容器。9.在資源化學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)高效催化劑對于降低化學(xué)能源轉(zhuǎn)換過程中的能量損失至關(guān)重要，例如在水電解制氫中，需要高效的非貴金屬催化劑。10.儲氫材料的主要目標是實現(xiàn)高儲氫容量、合適的________溫度、易于充放氫以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.光伏效應(yīng)2.陽極極化3.生物質(zhì)氣化4.碳捕集與封存（CCS）5.能量密度四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述太陽能電池的基本工作原理。2.比較鋰離子電池和燃料電池在能量密度和功率密度方面的主要差異。3.簡述生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的潛在應(yīng)用。4.簡述提高燃料電池性能的主要途徑。五、論述題（每小題10分，共30分）1.論述鈣鈦礦太陽能電池目前面臨的主要挑戰(zhàn)及其潛在解決方案。2.結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)特點，論述開發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的新型儲能材料的重要性。3.論述生物質(zhì)能作為一種可再生能源，在實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展中的意義及面臨的挑戰(zhàn)。六、計算題（10分）假設(shè)一個太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%，接收到的太陽輻射功率密度為1000W/m2。請計算該電池每平方米面積上每秒能夠產(chǎn)生的電功率是多少瓦特？試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.B6.C7.A8.D9.B10.B二、填空題1.ABX?或ABX?2.固態(tài)氧化物3.隔膜4.水5.氣體6.溶劑7.能帶結(jié)構(gòu)8.法拉第準電容9.過電位10.工作溫度三、名詞解釋1.光伏效應(yīng)：指半導(dǎo)體材料吸收光能后，產(chǎn)生光生電子-空穴對，并在內(nèi)建電場作用下，使電子和空穴分離并產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。2.陽極極化：指在電解池或電池的陽極，電極電位相對于平衡電位向更正（氧化）方向移動的現(xiàn)象。3.生物質(zhì)氣化：指在有限氧氣或無氧條件下，生物質(zhì)熱解產(chǎn)生可燃氣體（主要含CO、H?等）的過程。4.碳捕集與封存（CCS）：指從大型點源（如發(fā)電廠、工業(yè)設(shè)施）排放的氣流中捕獲二氧化碳，然后將其運輸并注入地下深層地質(zhì)構(gòu)造中進行長期封存的技術(shù)。5.能量密度：指單位質(zhì)量或單位體積的儲能介質(zhì)所能儲存的能量，是衡量儲能系統(tǒng)儲能能力的重要指標。四、簡答題1.太陽能電池的基本工作原理：太陽光照射到太陽能電池的光伏材料（如硅）上，光子能量被吸收，若光子能量足夠大，則會在材料內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建電場（P-N結(jié)），光生電子和空穴會被分離，分別向N區(qū)和P區(qū)移動。在外電路接通的情況下，電子通過外電路從N區(qū)流向P區(qū)，形成光電流，從而將光能轉(zhuǎn)化為電能。2.鋰離子電池和燃料電池的主要差異：*能量來源：鋰離子電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能（通過鋰離子在正負極間的嵌入/脫嵌）；燃料電池需要持續(xù)供應(yīng)燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣），通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。*能量密度：鋰離子電池的能量密度通常較高，尤其重量能量密度；燃料電池的功率密度可以很高，但能量密度（特別是重量能量密度）可能低于鋰離子電池。*充電機制：鋰離子電池可以通過充電過程恢復(fù)能量；燃料電池需要持續(xù)供應(yīng)燃料和氧化劑才能持續(xù)工作，能量“補充”方式不同。*循環(huán)壽命：鋰離子電池有一定循環(huán)壽命限制；燃料電池的壽命主要取決于催化劑、膜等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性。3.生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的潛在應(yīng)用：*生物油：可以作為燃料直接燃燒，或經(jīng)過進一步處理（如加氫）轉(zhuǎn)化為生物柴油、航空燃料等。*生物炭：具有良好的吸附性能，可用作土壤改良劑（提高肥力、保水性）、碳吸附劑（用于水處理、空氣凈化）、或作為燃料。*氣體：熱解氣主要成分是CO、H?等，可以作為合成氣，用于生產(chǎn)化學(xué)品、燃料或作為燃料電池的燃料。4.提高燃料電池性能的主要途徑：*提高催化劑活性：研發(fā)更高效、更穩(wěn)定的催化劑，特別是降低陽極和陰極反應(yīng)的過電位。*優(yōu)化電解質(zhì)：選擇離子電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、機械強度高的電解質(zhì)材料。*改善電極結(jié)構(gòu)：設(shè)計具有高表面積、良好孔隙結(jié)構(gòu)和薄活性層負載的電極，以降低電阻，增加反應(yīng)接觸面積。*降低系統(tǒng)電阻：優(yōu)化氣體擴散層、雙極板等部件的設(shè)計，減少歐姆電阻和極化電阻。*提高密封性和耐久性：防止燃料和氧化劑泄漏，提高電池在長期運行下的穩(wěn)定性。五、論述題1.鈣鈦礦太陽能電池目前面臨的主要挑戰(zhàn)及其潛在解決方案：*挑戰(zhàn)一：穩(wěn)定性差。尤其是環(huán)境穩(wěn)定性（濕氣、氧氣、光照）和長期運行穩(wěn)定性（光致衰減）。*解決方案：開發(fā)穩(wěn)定的鈣鈦礦材料（如鹵素鈣鈦礦的衍生物、混合鈣鈦礦）；采用鈍化層（如有機分子、無機材料）鈍化晶界和表面缺陷；優(yōu)化封裝技術(shù)，隔絕不良環(huán)境因素；引入缺陷工程。*挑戰(zhàn)二：鉛毒性。傳統(tǒng)鈣鈦礦含有鉛元素，對環(huán)境和人類健康有害。*解決方案：研發(fā)無毒或低毒鈣鈦礦替代品（如錫、銦、Ge基鈣鈦礦，或有機鈣鈦礦）；通過表面處理、封裝或回收技術(shù)降低鉛的危害。*挑戰(zhàn)三：材料組分敏感性。鈣鈦礦材料對合成條件、溫度、氣氛等非常敏感，難以高質(zhì)量、大面積、低成本地制備。*解決方案：優(yōu)化溶液法制備工藝（如旋涂、噴涂、印刷）；探索氣相沉積等更可控的制備方法；開發(fā)更穩(wěn)定的溶劑和前驅(qū)體體系。*挑戰(zhàn)四：大面積制備均勻性。隨著器件面積增大，保持材料質(zhì)量和器件性能的均勻性變得困難。*解決方案：改進制備設(shè)備和工藝控制；開發(fā)在更大基底上均勻成膜的技術(shù)。*挑戰(zhàn)五：與傳統(tǒng)光伏材料的兼容性。在構(gòu)建疊層器件時，如何實現(xiàn)不同材料間的良好界面匹配和能量級對準。*解決方案：精確調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)；開發(fā)高質(zhì)量的界面層；優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.開發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的新型儲能材料的重要性（結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)特點）：*應(yīng)對能源轉(zhuǎn)型需求：全球能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)型，可再生能源（如太陽能、風(fēng)能）的間歇性和波動性對穩(wěn)定電力系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。高效、大容量的儲能技術(shù)是解決可再生能源并網(wǎng)、消納問題的關(guān)鍵，直接關(guān)系到能源安全和可持續(xù)發(fā)展。*資源化學(xué)專業(yè)使命：資源化學(xué)專業(yè)關(guān)注資源的有效利用與轉(zhuǎn)化，特別是在能源和環(huán)境領(lǐng)域。開發(fā)新型儲能材料是資源化學(xué)的重要組成部分，旨在利用地球abundant的元素（如硅、錫、硫、磷等）或通過綠色化學(xué)方法合成低成本、高性能的材料，實現(xiàn)能量的儲存和轉(zhuǎn)換。*提升能源利用效率：高效的儲能材料能夠減少能源在轉(zhuǎn)化和傳輸過程中的損失，提高整體能源利用效率，降低對化石能源的依賴。*推動技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級：開發(fā)突破性的儲能材料是技術(shù)創(chuàng)新的前沿，能夠帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)（如電池制造、儲能系統(tǒng)集成）的發(fā)展，形成新的經(jīng)濟增長點。*促進環(huán)境友好：低成本、環(huán)境友好的儲能材料（如避免使用貴金屬、無毒元素、可回收利用）有助于減少環(huán)境污染和資源枯竭風(fēng)險，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，資源化學(xué)領(lǐng)域必須高度重視并投入研發(fā)新型儲能材料。3.生物質(zhì)能的意義及面臨的挑戰(zhàn)：*意義：*可再生能源：生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，是可再生能源，資源可再生，有助于保障能源供應(yīng)安全。*減少碳排放：生物質(zhì)能的碳循環(huán)是封閉的，其燃燒或轉(zhuǎn)化過程的碳排放與生長過程的碳吸收大致相當(dāng)，有助于減少溫室氣體排放，應(yīng)對氣候變化。*改善環(huán)境質(zhì)量：利用農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物等處理生物質(zhì)能，可以減少焚燒或填埋帶來的空氣污染和土壤污染。*促進農(nóng)村發(fā)展和農(nóng)民增收：生物質(zhì)能的開發(fā)利用（如生物質(zhì)發(fā)電、生物燃料）可以消化部分農(nóng)業(yè)廢棄物，帶動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，增加農(nóng)民收入。*資源綜合利用：實現(xiàn)生物質(zhì)的多途徑利用，變廢為寶，提高資源利用效率。*挑戰(zhàn)：*資源收集與運輸成本高：生物質(zhì)通常分散分布，密度低，收集、運輸成本較高，影響了其經(jīng)濟性。*能源密度低：相比化石燃料，生物質(zhì)原料的能量密度較低，需要更大的體積或質(zhì)量來提供同等能量，增加了儲存和運輸?shù)?/p>