2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物質(zhì)制氫催化劑的合成與應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪種方法通常不適用于制備高比表面積的生物質(zhì)制氫催化劑？A.溶膠-凝膠法B.共沉淀法C.微乳液法D.高溫熔融法2.在生物質(zhì)制氫催化劑的表征中，X射線光電子能譜（XPS）主要用來分析什么？A.催化劑的晶體結(jié)構(gòu)B.催化劑的比表面積和孔徑分布C.催化劑表面元素種類及其化學(xué)態(tài)D.催化劑的微觀形貌3.下列哪種物質(zhì)通常被認(rèn)為是生物質(zhì)熱解氣化過程中主要的脫碳劑？A.H?OB.CO?C.COD.CH?4.Ni-Fe基合金催化劑在生物質(zhì)制氫中表現(xiàn)出良好的活性，其主要?dú)w因于：A.Ni的高分散度B.Fe的電子助催化劑作用C.合金效應(yīng)導(dǎo)致的活性位點(diǎn)能級(jí)調(diào)控D.高廉的成本5.生物質(zhì)制氫過程中，積碳問題嚴(yán)重影響了催化劑的穩(wěn)定性。下列哪種催化劑類型相對(duì)更易發(fā)生積碳？A.貴金屬基催化劑（如Pt,Pd）B.非貴金屬氧化物（如CuO,Co?O?）C.Ni基合金催化劑D.質(zhì)子導(dǎo)體基催化劑（如SOFC陽極）6.水熱合成法在制備生物質(zhì)制氫催化劑時(shí)，其主要優(yōu)勢(shì)在于：A.可以在高溫高壓下合成，有利于形成特殊晶相B.操作簡單，成本低廉C.易于獲得高晶粒度的催化劑D.特別適用于制備大塊狀催化劑7.下列哪個(gè)指標(biāo)不是評(píng)價(jià)催化劑本身性能的核心參數(shù)？A.催化劑的載量B.催化劑的活性C.催化劑的穩(wěn)定性D.催化劑的壽命8.生物質(zhì)中的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)在熱解過程中主要生成：A.葡萄糖B.乙酸C.甲苯類芳烴D.水煤氣（CO+H?）9.對(duì)于用于生物質(zhì)制氫的催化劑，"高選擇性"通常意味著：A.能在較低溫度下啟動(dòng)反應(yīng)B.主要生成目標(biāo)產(chǎn)物（如H?），副產(chǎn)物少C.催化劑具有較大的比表面積D.催化劑物理穩(wěn)定性好10.以下哪種技術(shù)不屬于生物質(zhì)制氫催化劑的改性方法？A.等離子體處理B.浸漬法C.原位合成法D.催化劑后處理（如煅燒氣氛控制）二、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述共沉淀法制備催化劑的基本原理及其過程。2.解釋什么是催化劑的“本征活性”和“表觀活性”，并說明它們之間的關(guān)系。3.闡述X射線衍射（XRD）技術(shù)在表征催化劑晶體結(jié)構(gòu)方面的作用。4.簡述生物質(zhì)制氫過程中，催化劑可能面臨的主要失活機(jī)制。三、論述題（每小題10分，共30分）1.比較水熱法與溶膠-凝膠法在制備生物質(zhì)制氫催化劑時(shí)的主要區(qū)別、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景。2.論述提高生物質(zhì)制氫催化劑選擇性的基本策略，并舉例說明。3.分析當(dāng)前生物質(zhì)制氫催化劑研究面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案或研究方向。四、計(jì)算題（10分）假設(shè)在一項(xiàng)生物質(zhì)氣化制氫實(shí)驗(yàn)中，使用Ni/Al?O?催化劑。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在特定條件下，每克催化劑每小時(shí)可產(chǎn)生200標(biāo)準(zhǔn)立方米的氫氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，0°C，1atm）。若該催化劑的Ni含量為10wt%，計(jì)算該實(shí)驗(yàn)條件下Ni的催化活性，單位為molH?/(gNi·h)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.C5.C6.A7.A8.C9.B10.C二、簡答題1.共沉淀法是指將可溶性金屬鹽和堿土金屬鹽的溶液混合，發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成氫氧化物或氧化物沉淀，然后經(jīng)過陳化、過濾、洗滌、干燥和煅燒等步驟得到催化劑precursor或催化劑本身。其原理是利用沉淀反應(yīng)使金屬離子同時(shí)沉淀，避免了在特定條件下某些金屬離子易于發(fā)生相分離或沉淀不完全的問題，易于獲得成分均勻的多金屬氧化物或氫氧化物。2.本征活性是指催化劑活性位點(diǎn)本身的催化能力，不受催化劑表面積、形狀等因素影響，通常指單位活性組分（如摩爾）的催化活性。表觀活性是指在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)得的催化劑活性，它不僅與本征活性有關(guān)，還與催化劑的比表面積、活性組分分散度、載體效應(yīng)等因素有關(guān)。表觀活性=本征活性×活性組分量×比表面積因子（或分散度因子等）。當(dāng)活性組分高度分散且表面積較大時(shí)，表觀活性接近本征活性；反之，則表觀活性較低。3.X射線衍射（XRD）技術(shù)利用X射線與固體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，可以測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的周期性排列特征。通過分析XRD圖譜上的衍射峰的位置、強(qiáng)度和形貌，可以獲得催化劑的物相組成（識(shí)別晶相結(jié)構(gòu)）、晶粒尺寸（通過謝樂公式計(jì)算）、晶格常數(shù)等信息，是表征催化劑晶體結(jié)構(gòu)和物相純度的常用且重要的手段。4.生物質(zhì)制氫催化劑可能面臨的主要失活機(jī)制包括：①積碳覆蓋活性位點(diǎn)；②燒結(jié)導(dǎo)致活性位點(diǎn)減少、分散度降低、比表面積減小；③燒結(jié)導(dǎo)致晶格畸變，降低本征活性；④與反應(yīng)氣氛（如H?、CO、H?O）發(fā)生副反應(yīng)或化學(xué)作用，導(dǎo)致活性組分溶解或價(jià)態(tài)變化；⑤長期高溫運(yùn)行導(dǎo)致活性組分揮發(fā)或流失；⑥載體與活性組分發(fā)生反應(yīng)或相互作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或活性組分中毒。三、論述題1.水熱法是在高溫（通常>100°C）和高壓（來自水的飽和蒸汽壓）的溶液或懸浮液體系中合成材料的方法。優(yōu)點(diǎn)是可以在相對(duì)溫和的氣氛下合成，有利于形成特殊的晶相結(jié)構(gòu)、高分散度、均勻的形貌（如納米晶、納米管等），且可以避免使用高沸點(diǎn)溶劑。缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高，反應(yīng)條件控制要求嚴(yán)格，產(chǎn)物分離純化可能較復(fù)雜。溶膠-凝膠法通常在室溫或低溫下進(jìn)行，將金屬醇鹽或無機(jī)鹽溶解在溶劑中，通過水解、縮聚等反應(yīng)形成凝膠，再經(jīng)過干燥和煅燒得到固體材料。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，易于控制成分均勻性，可以在較低溫度下合成，易于制備多孔材料。缺點(diǎn)是前驅(qū)體選擇有限，可能存在溶劑殘留，部分產(chǎn)物純化需要高溫煅燒。適用場(chǎng)景：水熱法更適用于制備特殊晶相、高純度、特定形貌的材料；溶膠-凝膠法更適用于制備成分復(fù)雜、均勻性要求高的玻璃陶瓷材料或涂層。2.提高生物質(zhì)制氫催化劑選擇性的基本策略主要包括：①活性組分優(yōu)化：選擇對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物具有更高吸附能的活性位點(diǎn)元素或化合物，或通過合金化、表面修飾等改變活性位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)；②載體改性：選擇具有特定酸堿性、孔結(jié)構(gòu)或表面性質(zhì)的載體，以調(diào)控反應(yīng)路徑或抑制副反應(yīng)；③形貌控制：設(shè)計(jì)特定尺寸、形狀或結(jié)構(gòu)的催化劑顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)，以暴露優(yōu)先生成目標(biāo)產(chǎn)物的活性晶面；④反應(yīng)條件優(yōu)化：通過精確控制反應(yīng)溫度、壓力、水碳比、氣氛等，使反應(yīng)傾向于生成目標(biāo)產(chǎn)物；⑤原位化學(xué)改性：在反應(yīng)過程中，通過加入添加劑或改變反應(yīng)物種類，動(dòng)態(tài)調(diào)控催化劑表面化學(xué)環(huán)境，引導(dǎo)反應(yīng)向目標(biāo)產(chǎn)物方向進(jìn)行。例如，使用酸性載體（如SiO?,ZrO?）可以促進(jìn)脫水反應(yīng)，提高C?-C?烯烴的選擇性；將Ni基催化劑與堿金屬或堿土金屬化合物復(fù)合，可以提高CO?氫化制甲烷的選擇性。3.當(dāng)前生物質(zhì)制氫催化劑研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①成本高昂：貴金屬催化劑雖然活性高，但成本過高，難以大規(guī)模應(yīng)用；非貴金屬催化劑雖然成本較低，但活性、穩(wěn)定性仍需提高。②活性與穩(wěn)定性平衡：在追求高活性的同時(shí)，如何提高催化劑的長期穩(wěn)定性（抗積碳、抗燒結(jié)、抗中毒）是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。③選擇性調(diào)控：如何有效抑制積碳等副反應(yīng)，提高目標(biāo)產(chǎn)物（H?）的選擇性，同時(shí)兼顧多產(chǎn)物的協(xié)同轉(zhuǎn)化效率。④催化劑設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)不足：對(duì)復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理的理解不夠深入，缺乏精確有效的理論計(jì)算和模擬方法指導(dǎo)催化劑的理性設(shè)計(jì)。⑤反應(yīng)條件苛刻：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程通常需要在高溫、高壓下進(jìn)行，對(duì)催化劑的材料穩(wěn)定性和抗腐蝕性提出了更高要求?？赡艿慕鉀Q方案或研究方向：開發(fā)高效、低成本的非貴金屬催化劑體系；深入研究反應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)基于理論的催化劑理性設(shè)計(jì)；發(fā)展高效的催化劑表征和原位表征技術(shù)，揭示結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系；設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器或工藝，優(yōu)化反應(yīng)條件，促進(jìn)催化劑性能發(fā)揮；探索生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化過程的綠色化、一體化路徑。四、計(jì)算題1.標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol氣體的體積為22.4L=22400mL=22.4m3。氫氣體積流量=200SCMH=200mol/(h·m3)。氫氣摩爾流量=200mol/h。催化劑質(zhì)量=1g。Ni含量=10wt%=0.1。Ni的質(zhì)量=1g×0.1=0.1g。Ni的摩爾質(zhì)量=58.69g/mol。Ni的摩爾數(shù)=0.1g/58.69g/mol≈0.001702mol。Ni的催化活性=氫氣摩爾流量/Ni的摩爾數(shù)=200mol/h/0.001702mol≈117392mol/(h·molNi)=117392mol/(h·gNi)（因?yàn)槭褂昧?g催化劑中的Ni量）=117392mol/(h·gNi)×(58.69g/mol)（轉(zhuǎn)換為gNi基礎(chǔ)）=117392×58.69mol/(h·gNi)=6.884×10?mol/(h·gNi)*修正：題目要求計(jì)算單位為molH?/(gNi·h)，直接用氫氣摩爾流量除以Ni的摩爾數(shù)即可，單位已經(jīng)符合要求。*Ni的催化活性=200molH?/h/0.001702molNi≈117392molH?/(molNi·h)≈1.17×10?molH?/(gNi·h)（使用0.1g催化劑中的Ni量）若使用Ni的總量：Ni的總量=0.1g/(1g總催化劑/100)=10g。Ni的催化活性=200molH?/h/10gNi≈20molH?/(gNi·h)*最終選擇更合理的計(jì)算方式，基于1g催化劑中0.1gNi：*Ni的催化活性=200molH?/h/(0.1g/58.69g/molNi)=200molH?/h/(0.1/58.69)molNi=200molH?/h×58.69/0.1molNi=200×586.9molH?/(molNi·h)=117380molH?/(molNi·h)≈1.17×10?molH?/(gNi·h)（若以gNi為基準(zhǔn)，需除以Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的倒數(shù)，即除以10）更正：應(yīng)為200molH?/h/(0.1gNi/58.69g/molNi)=200molH?/h/(0.1/58.69)molNi=200×58.69/