2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——碳中空心結構在氫儲存中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.碳中空心結構主要包括碳納米管、______、碳纖維管和全碳分子篩等。2.氫儲存材料的評價標準通常包括氫容量、______、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性等。3.氫分子主要通過______與碳表面相互作用，實現(xiàn)物理吸附或化學吸附。4.單壁碳納米管（SWCNT）具有中空管狀結構，其巨大的______有利于提高氫氣吸附量。5.石墨烯籠是一種由單層石墨烯卷曲而成的球形或橢球形碳籠，其獨特的______使其在氫儲存方面具有潛力。6.碳中空心結構的穩(wěn)定性是影響其能否實際應用于氫儲存的關鍵因素之一，需要考慮其______和化學穩(wěn)定性。7.目前，碳中空心結構儲氫材料面臨的主要挑戰(zhàn)包括實際儲氫量與______的差距、動力學限制以及成本過高。8.通過______等策略可以提高碳中空心結構的儲氫性能。9.氫氣儲存方式主要分為物理吸附、化學吸附、______和液化儲存等。10.理論計算在設計和優(yōu)化碳中空心結構儲氫材料方面發(fā)揮著重要作用，例如通過______預測材料的儲氫性能。二、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種材料不屬于碳中空心結構？（）A.碳納米管B.富勒烯C.石墨烯D.碳纖維2.以下哪種方式不屬于氫氣的物理儲存？（）A.低溫液氫B.氫氣壓縮儲存C.吸附儲存D.化學合成儲存3.碳納米管中，單壁碳納米管與多壁碳納米管相比，通常具有（）。A.更小的比表面積B.更低的導電性C.更高的中空腔體利用率D.更低的氫吸附能力4.下列哪種因素不利于提高碳中空心結構的吸放氫速率？（）A.巨大的比表面積B.多樣的孔道結構C.較高的缺陷密度D.完整的石墨烯層5.碳中空心結構儲氫材料面臨的主要瓶頸之一是（）。A.材料成本過高B.儲氫量難以達到車載應用需求C.循環(huán)穩(wěn)定性差D.以上都是6.下列哪種方法不屬于提高碳中空心結構儲氫性能的途徑？（）A.對碳中空心結構進行表面官能化B.制備碳中空心結構的復合材料C.通過理論計算篩選更優(yōu)結構D.降低碳中空心結構的比表面積7.氫分子在碳表面發(fā)生化學吸附時，通常（）。A.吸附能較低B.吸附熱接近氣體蒸發(fā)熱C.涉及氫分子解離吸附D.過程可逆性較差8.石墨烯籠的儲氫潛力主要來源于其（）。A.碳原子sp2雜化軌道B.中空的球形或橢球形腔體C.彎曲的石墨烯片層D.較高的密度9.以下哪種技術通常用于制備高質量的碳納米管？（）A.溶膠-凝膠法B.化學氣相沉積法C.等離子體刻蝕法D.溶劑萃取法10.理論計算在碳中空心結構儲氫材料研究中的主要作用是（）。A.規(guī)?；a(chǎn)材料B.直接測定材料的儲氫量C.預測材料的結構和電子性質，指導材料設計D.評估材料的實際應用成本三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述碳中空心結構的制備方法及其各自的特點。2.簡述影響碳中空心結構儲氫性能的關鍵因素。3.簡述物理吸附和化學吸附在氫儲存中的主要區(qū)別。4.簡述碳中空心結構儲氫材料面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述碳中空心結構的獨特結構特征（如中空腔體、管壁缺陷、巨大的比表面積等）如何影響其氫儲存性能。2.論述將碳中空心結構與其他材料（如金屬、合金、氧化物等）復合制備多功能儲氫材料的意義和潛在優(yōu)勢。試卷答案一、填空題1.碳籠2.吸放氫速率3.化學鍵（或：相互作用力）4.比表面積5.獨特的孔道結構（或：中空腔體與管壁缺陷）6.結構穩(wěn)定性7.實際應用需求（或：車載應用目標）8.表面改性（或：缺陷工程、復合材料）9.合金化10.第一性原理計算（或：DFT計算）二、選擇題1.D2.D3.C4.D5.D6.D7.C8.B9.B10.C三、簡答題1.碳中空心結構的制備方法主要包括：①化學氣相沉積法（CVD），通常在催化劑存在下制備碳納米管；②激光消融法，通過激光燒蝕碳靶制備碳納米管和碳團簇；③電弧放電法，通過碳電極之間放電制備碳納米管和碳糊；④模板法，利用沸石、分子篩等模板限域生長碳籠或碳管；⑤自上而下方法，如碳纖維的碳化、石墨的剝離等。特點：CVD可控性較好但可能需要催化劑；激光消融產(chǎn)物多樣；電弧放電效率高但產(chǎn)物純度需提純；模板法可制備特定結構但模板成本高；自上而下方法簡單但結構多樣性有限。2.影響碳中空心結構儲氫性能的關鍵因素：①結構因素，包括材料的比表面積、孔徑分布、中空腔體的體積、管壁/籠壁的厚度和缺陷密度等；②表面化學性質，碳表面的官能團、缺陷類型和濃度會影響與氫分子的相互作用；③電子結構，碳材料自身的電子結構及其與氫的相互作用能；④溫度和壓力，吸附過程受熱力學條件影響；⑤材料的穩(wěn)定性，包括結構穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，影響循環(huán)壽命。3.物理吸附：氫分子主要通過分子間作用力（范德華力）與碳表面結合，吸附熱較低（通常<40kJ/mol），吸附過程可逆，氫分子在吸附前后通常保持分子狀態(tài)，對溫度和壓力敏感。化學吸附：氫分子與碳表面通過化學鍵（如共價鍵或配位鍵）結合，吸附熱較高（通常>40kJ/mol），吸附過程不可逆或難可逆，可能涉及氫分子的解離吸附（H?→2H），對溫度敏感度相對較低。4.主要挑戰(zhàn)：①實際儲氫量（質量儲氫容量）難以達到車載應用等實際需求（通常<8wt%）；②吸放氫速率較慢，動力學性能不佳；③循環(huán)穩(wěn)定性差，反復吸放氫后結構或性能衰減；④材料成本過高，規(guī)?；苽淅щy；⑤安全性問題，如氫脆、燃燒爆炸風險等?？赡艿慕鉀Q方案：①通過結構設計（如增加缺陷、調控孔徑）和表面改性（如引入官能團）增強氫吸附；②制備復合材料（如碳納米管/金屬氧化物復合），利用協(xié)同效應提高儲氫性能和穩(wěn)定性；③開發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的制備方法；④理論計算輔助設計，指導新型高性能材料的發(fā)現(xiàn)；⑤研究材料的結構演變和失效機制，提高其循環(huán)壽命和安全性。四、論述題1.碳中空心結構的獨特結構特征顯著影響其氫儲存性能。巨大的比表面積提供了大量的氫吸附位點，有利于提高氫氣的物理吸附容量。中空腔體內部可以容納氫氣分子，實現(xiàn)類似籠狀物的限域吸附，可能形成穩(wěn)定的氫簇，從而提高有效儲氫量，并可能影響氫的擴散路徑。管壁或籠壁的缺陷（如開口、五邊形/七邊形結構）可以降低體系的能量勢壘，為氫氣的擴散和吸附提供通道，提高吸放氫速率，但過多的缺陷也可能降低材料的穩(wěn)定性。碳中空心結構的管壁或籠壁具有sp2雜化碳原子，其獨特的電子結構和邊緣效應可以與氫分子發(fā)生較強的相互作用（包括物理吸附和化學吸附），影響吸附能和選擇性。這些結構特征的綜合效應決定了碳中空心結構的總儲氫量、吸放氫速率、選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性。2.將碳中空心結構與其他材料復合制備多功能儲氫材料具有重要意義和潛在優(yōu)勢。首先，復合材料可以實現(xiàn)性能的協(xié)同增強。例如，將碳納米管與金屬或合金復合，金屬/合金組分可以直接化學吸附或與氫形成合金，提供高儲氫容量，而碳納米管則提供高比表面積和導電網(wǎng)絡，有利于氫的擴散和傳輸，同時增強材料的機械強度和循環(huán)穩(wěn)定性。其次，復合可以調控材料的電子結構。例如，石墨烯的引入可以調節(jié)碳中空心的電子態(tài)密度，增強與氫的相互作用能，從而提高儲氫性能。第三，復合可以改善材料的加工性能和成本。