2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——能源化學對環(huán)境保護的化學反應(yīng)機制研究考試時間：______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的括號內(nèi)。）1.煤燃燒過程中，NOx的主要生成路徑是：(A)燃料氮的轉(zhuǎn)化(B)空氣中N2的氧化(C)燃料氮和空氣中N2的共同轉(zhuǎn)化(D)催化劑的氮化2.選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)中，通常使用的催化劑活性組分不包括：(A)V2O5(B)WO3(C)Fe2O3(D)TiO2（載體）3.在煙氣脫硫（FGD）的石灰石-石膏法中，關(guān)鍵的化學反應(yīng)步驟之一是：(A)CaCO3的升華(B)CaSO3與氧氣反應(yīng)生成CaSO4(C)SO2的催化氧化(D)石膏的脫水4.光催化降解有機污染物過程中，半導體材料（如TiO2）的禁帶寬度決定了其：(A)毒性大小(B)對特定波長光的吸收能力(C)價格成本(D)機械強度5.芬頓（Fenton）氧化法用于水處理時，主要利用的是：(A)光能激發(fā)產(chǎn)生自由基(B)電極反應(yīng)產(chǎn)生強氧化性物質(zhì)(C)H2O2在催化劑存在下分解產(chǎn)生?OH(D)生物酶的催化作用6.對于電化學水處理過程，以下描述錯誤的是：(A)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)(B)陰極發(fā)生還原反應(yīng)(C)污染物可以直接在電極表面分解(D)通常需要外加較高的化學勢差7.生物質(zhì)熱解過程中，主要發(fā)生的化學反應(yīng)不包括：(A)水解反應(yīng)(B)斷裂纖維素和木質(zhì)素的C-C鍵(C)熱裂解生成小分子有機物(D)氧化燃燒8.土壤化學淋洗修復(fù)重金屬污染時，通常使用的淋洗劑不一定是：(A)檸檬酸(B)EDTA(C)氯化鈉(D)氫氧化鈉9.將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學品或燃料，屬于能源化學與環(huán)境交叉領(lǐng)域中的：(A)燃燒過程優(yōu)化(B)污染物減排技術(shù)(C)廢物資源化利用(D)環(huán)境監(jiān)測方法10.在設(shè)計能源轉(zhuǎn)化過程以減少環(huán)境污染時，遵循的原則之一是：(A)盡可能提高反應(yīng)速率(B)盡可能提高原子經(jīng)濟性(C)盡可能使用昂貴的催化劑(D)盡可能提高產(chǎn)物純度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中橫線上。）1.工業(yè)煙氣脫硝中，選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)主要利用____條件促使NOx分解。2.TiO2光催化反應(yīng)通常需要光照能量大于其____才能發(fā)生。3.活性炭吸附污染物主要利用其巨大的____和表面的____。4.電化學降解水中有機物，陽極附近溶液的pH通常會____（填升高或降低）。5.垃圾填埋場中，有機廢物在厭氧條件下會產(chǎn)生的主要可燃氣體是____。6.催化劑在SCR脫硝反應(yīng)中，主要作用是____NO和SO2的轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率，同時降低反應(yīng)活化能。7.光催化過程中，電子和空穴的復(fù)合會降低量子效率，可以通過添加____來提高電子-空穴對分離效率。8.石灰石-石膏法煙氣脫硫中，亞硫酸鈣（CaSO3）是反應(yīng)的中間產(chǎn)物，它具有____性。9.能源化學視角下的環(huán)境問題研究，不僅要關(guān)注污染物的____，也要關(guān)注能源轉(zhuǎn)化過程的____。10.將廢物資源化視為一種____過程，可以實現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用，減少對環(huán)境的壓力。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述CO在V2O5-WO3/TiO2催化劑上選擇性催化還原NO生成N2的基元反應(yīng)步驟。2.簡要說明光催化過程中，半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)（包括價帶VB和導帶CB）在產(chǎn)生光生載流子（電子和空穴）中起的作用。3.比較煙氣中NOx的SCR脫硝和NSCR脫硝在反應(yīng)機理和操作條件（溫度）上的主要區(qū)別。4.簡述電化學水處理方法去除水中有機污染物的基本原理。四、論述題（每小題10分，共30分。）1.論述利用能源化學原理進行工業(yè)廢氣（如CO2或VOCs）資源化利用的意義和可能的化學反應(yīng)途徑。2.結(jié)合具體反應(yīng)實例，論述催化劑在環(huán)境友好型能源化學過程中的作用機制及其設(shè)計原則。3.以燃煤電廠為例，分析燃燒過程中主要污染物（SO2,NOx,粉塵）的生成機制，并提出基于能源化學知識的協(xié)同控制策略。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.C6.D7.A8.D9.C10.B二、填空題1.高溫2.禁帶寬度3.比表面積；極性4.降低5.甲烷（或CH4）6.加速7.電子捕獲劑（或助催化劑）8.不穩(wěn)定（或易分解）9.產(chǎn)生；環(huán)境影響10.化學looping三、簡答題1.解析思路：SCR反應(yīng)機理涉及NO在催化劑表面的吸附、與還原劑（如CO）的表面反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物（N2、CO2）的脫附等步驟。需寫出關(guān)鍵步驟的表面化學方程式，體現(xiàn)V2O5等活性組分的作用。答案要點（示例）：NO+*→NO*(吸附)；NO*+CO+*→N*+CO2+*(表面反應(yīng))；N*+NO*→N2+*(偶聯(lián)反應(yīng)，關(guān)鍵步驟)；N2+*→N2+*(脫附)；CO2+*→CO2+*(脫附)。*代表催化劑表面活性位點。2.解析思路：光催化核心在于半導體吸收光能產(chǎn)生e^-和h^+。需描述光子能量如何大于禁帶寬度，激發(fā)電子躍遷至導帶，留下空穴在價帶，以及這些載流子的產(chǎn)生是后續(xù)反應(yīng)的基礎(chǔ)。答案要點：光子能量需大于半導體的禁帶寬度（Eg）才能激發(fā)電子e^-從價帶（VB）躍遷至導帶（CB），在VB留下空穴h^+。這些光生載流子（e^-和h^+）是參與光催化氧化還原反應(yīng)的直接參與者。3.解析思路：比較SCR和NSCR的機理和溫度差異。SCR是催化反應(yīng)，通常在較低溫度（約300-400°C），利用催化劑表面吸附和反應(yīng)。NSCR是熱力學驅(qū)動的非催化反應(yīng)，需要更高溫度（>700-850°C）使NOx分解。答案要點：SCR是催化劑促進的還原反應(yīng)，溫度較低（300-400°C），機理涉及表面吸附和反應(yīng)（如NH3+NO+催化劑→N2+H2O）；NSCR是無催化劑的熱力學分解反應(yīng)，溫度要求高（>700°C），機理主要是NO在高溫下分解（2NO→N2+O2）或與CO等還原劑反應(yīng)（4NO+4CO→2N2+4CO2）。4.解析思路：電化學降解利用電極反應(yīng)。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)（有機物失電子或水電解產(chǎn)生?OH），陰極發(fā)生還原反應(yīng)（通常是水電解產(chǎn)生H2或提供還原性?OH）?？偨Y(jié)果是有機物被氧化mineralize。答案要點：陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，有機污染物失去電子進入溶液或在電極表面被氧化，或水電解產(chǎn)生羥基自由基（?OH）；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，通常是水電解產(chǎn)生氫氣（H2）或提供還原性羥基自由基（?OH）；電子通過外電路從陽極流向陰極；綜合作用下，有機污染物被降解。四、論述題1.解析思路：論述資源化意義在于變廢為寶，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。途徑可結(jié)合具體化學反應(yīng)，如CO2電化學還原制甲酸鹽、電解水制氫與CO2合成甲醇或燃料、VOCs催化氧化制酸或氫等。答案要點：意義：提高能源效率，減少溫室氣體排放，轉(zhuǎn)化污染物為有價值的產(chǎn)品，促進循環(huán)經(jīng)濟。途徑示例：CO2電化學還原為一氧化碳或甲酸鹽；電解水制氫，與CO2耦合制甲醇（CO2RR）；揮發(fā)性有機化合物（VOCs）催化氧化回收能量或制備化學品；生物質(zhì)熱解/氣化產(chǎn)生生物油、合成氣等。2.解析思路：論述催化劑作用在于降低活化能，加速反應(yīng)速率，選擇性控制產(chǎn)物。設(shè)計原則需考慮活性（提供合適活性位點）、選擇性（抑制副反應(yīng)）、穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗中毒）、壽命和經(jīng)濟性。答案要點：作用機制：催化劑通過提供不同的反應(yīng)路徑（降低活化能）、增加反應(yīng)物吸附強度、調(diào)控電子結(jié)構(gòu)等方式，加速化學反應(yīng)速率，并可能導向特定產(chǎn)物（選擇性）。設(shè)計原則：追求高活性（如增加比表面積、優(yōu)化活性位點結(jié)構(gòu)）、高選擇性（如精確調(diào)控催化劑組成和結(jié)構(gòu)以抑制副反應(yīng)）、高穩(wěn)定性（如防止催化劑燒結(jié)失活、抵抗反應(yīng)氣氛中毒）以及低成本和易制備。3.解析思路：分析SO2（燃燒過程中高溫下與氧氣反應(yīng)生成）和NOx（主要來自空氣N2和O2在高溫下的反應(yīng)，或燃料N元素轉(zhuǎn)化）的生成機制。協(xié)同控制策略應(yīng)考慮不同污染物的生成條件不同，提出聯(lián)合控制方案，如燃燒優(yōu)化（低NOx燃燒器+脫硫）或末端治理（SCR脫硝可與FGD協(xié)同考慮，或使用吸附劑同時脫硫脫硝）。答案要點：SO2生成：煤中硫元素在燃燒高溫下氧化形成SO2（2S+3O2→