2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——光催化材料在污染物降解中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種材料不屬于典型的半導(dǎo)體光催化劑？A.TiO2B.CdSC.Fe2O3D.C602.與銳鈦礦相TiO2相比，金紅石相TiO2的光催化活性通常較低，主要原因是其：A.導(dǎo)帶底位置更高B.禁帶寬度更大C.晶體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定D.表面能更低3.在光催化過程中，用于捕獲光生空穴的試劑被稱為：A.電子捕獲劑B.空穴捕獲劑C.助催化劑D.載體4.下列哪種物質(zhì)不適合作為光催化劑的敏化劑，用于擴(kuò)展光響應(yīng)范圍至可見光區(qū)？A.CdSe量子點B.PbS量子點C.喹啉類有機(jī)染料D.鉬酸銨5.溶膠-凝膠法是一種常用的光催化劑制備方法，其主要優(yōu)點包括：A.低溫合成，能耗低B.易于制備多孔結(jié)構(gòu)C.可控性好，易于摻雜改性D.以上都是6.光催化降解有機(jī)污染物過程中，中間產(chǎn)物的檢測對于理解反應(yīng)機(jī)理至關(guān)重要。對于降解難降解的有機(jī)物，常常會檢測到：A.更高毒性的小分子有機(jī)物B.完全無機(jī)的小分子（CO2,H2O）C.結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的有機(jī)大分子D.元素種類發(fā)生改變的物質(zhì)7.為了提高光催化劑在可見光區(qū)的利用效率，常采用的方法是：A.降低其禁帶寬度B.增大其比表面積C.構(gòu)建異質(zhì)結(jié)或復(fù)合材料D.提高其光生載流子的遷移率8.光催化氧化反應(yīng)通常遵循哪個基本反應(yīng)速率方程？A.r=k[A]B.r=k[O2]C.r=k[Catalyst][Substrate]D.r=k[Substrate]^(1/2)9.下列哪種因素通常不會顯著影響光催化降解效率？A.入射光的強(qiáng)度和波長B.污染物的初始濃度C.催化劑的投加量D.溶液的pH值10.在實際水體處理中，光催化技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.設(shè)備成本過高B.催化劑易失活C.光能利用率低D.以上都是二、填空題1.光催化過程涉及的主要物理過程包括光的吸收、光生載流子的產(chǎn)生、載流子的______與______以及表面復(fù)合。2.提高光催化量子效率的主要途徑包括抑制光生載流子的______、增加光生載流子的______以及選擇合適的______。3.通過改變半導(dǎo)體材料的______或______可以調(diào)節(jié)其光響應(yīng)范圍。4.光催化劑的______是指其比表面積與總質(zhì)量的比值，通常用______表示。5.對于含有重金屬離子的廢水，光催化氧化主要將其轉(zhuǎn)化為______形態(tài)。6.常用的光催化劑表征技術(shù)包括______、______、______和X射線光電子能譜（XPS）等。7.光催化降解過程中，污染物分子在催化劑表面的______和______是最終礦化或生成______的關(guān)鍵步驟。三、簡答題1.簡述光催化降解有機(jī)污染物的基本過程。2.解釋什么是光催化量子效率，并簡述其物理意義。3.比較均相催化降解和非均相光催化降解在反應(yīng)機(jī)理和催化劑形態(tài)方面的主要區(qū)別。4.簡述貴金屬對半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行改性的主要作用。四、論述題1.論述半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)與光催化活性的關(guān)系。2.以一種具體的有機(jī)污染物為例，簡述其光催化降解機(jī)理，并說明影響降解效果的主要因素。3.結(jié)合實際應(yīng)用，論述構(gòu)建光催化復(fù)合材料的必要性和優(yōu)勢。試卷答案一、選擇題1.D2.A3.B4.B5.D6.A7.C8.D9.B10.D二、填空題1.復(fù)合；遷移2.失活；遷移；光源3.能帶寬度；形狀/結(jié)構(gòu)4.比表面積；BET5.無機(jī)鹽；鹽6.X射線衍射（XRD）；透射電子顯微鏡（TEM）7.吸附；還原/氧化；無機(jī)小分子三、簡答題1.簡述光催化降解有機(jī)污染物的基本過程。答案：光催化降解過程通常包括：①光吸收，半導(dǎo)體催化劑吸收光能產(chǎn)生光生電子-空穴對；②載流子分離與遷移，通過內(nèi)電場或表面能級捕獲等機(jī)制，將光生電子和空穴分離并遷移到催化劑表面；③表面反應(yīng)，光生電子和空穴在催化劑表面分別參與還原和氧化反應(yīng)，與吸附的污染物分子發(fā)生反應(yīng)，使其礦化為CO2、H2O等無機(jī)小分子，或轉(zhuǎn)化為毒性較低的中間產(chǎn)物；④產(chǎn)物脫附，反應(yīng)生成的無機(jī)小分子或毒性較低的中間產(chǎn)物從催化劑表面脫附，使催化劑再生，可進(jìn)行下一輪降解循環(huán)。2.解釋什么是光催化量子效率，并簡述其物理意義。答案：光催化量子效率（QuantumEfficiency,QE）是指吸收了光能的催化劑顆粒中，發(fā)生有效光化學(xué)反應(yīng)的粒子數(shù)（或產(chǎn)生的光生載流子數(shù)）占所吸收光子總數(shù)的百分比。其物理意義在于衡量光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率，反映了光催化劑利用光能進(jìn)行特定反應(yīng)的能力，是評價光催化劑性能的重要指標(biāo)之一。3.比較均相催化降解和非均相光催化降解在反應(yīng)機(jī)理和催化劑形態(tài)方面的主要區(qū)別。答案：反應(yīng)機(jī)理方面：均相催化降解中，催化劑與反應(yīng)物處于同一相（通常是液相），反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，催化劑分子參與反應(yīng)并可能被消耗；非均相光催化降解中，催化劑以固體形態(tài)存在，與反應(yīng)物處于不同相（通常是固-液界面），反應(yīng)在催化劑表面進(jìn)行，催化劑本身不參與反應(yīng)且不被消耗。催化劑形態(tài)方面：均相催化降解使用催化劑分子或離子；非均相光催化降解使用固體粉末、薄膜或多孔材料等固體催化劑。4.簡述貴金屬對半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行改性的主要作用。答案：貴金屬（如Au,Pt,Pd等）對半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行改性的主要作用包括：①提高可見光利用效率，通過形成表面等離激元共振效應(yīng)或構(gòu)建內(nèi)建電場，擴(kuò)展催化劑的光譜響應(yīng)范圍至可見光區(qū)；②增強(qiáng)光生載流子的分離和遷移效率，利用貴金屬的電子結(jié)構(gòu)或表面效應(yīng)，有效抑制光生電子-空穴對的復(fù)合；③改善催化劑的表面性質(zhì)，如提高活性位點數(shù)量、改變表面態(tài)等，從而提高催化活性和穩(wěn)定性。四、論述題1.論述半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)與光催化活性的關(guān)系。答案：半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)（包括價帶頂VBT和導(dǎo)帶底CBM）是決定其光催化活性的核心因素。其關(guān)系主要體現(xiàn)在：①禁帶寬度（Eg）：Eg決定了催化劑可吸收的光子能量范圍，即光譜響應(yīng)范圍。通常，較窄的Eg有利于吸收長波長的可見光，但可能犧牲對載流子分離的驅(qū)動力；較寬的Eg雖有利于載流子分離，但吸收光能的能力弱，主要在紫外區(qū)吸收。理想的Eg約為2.3-3.0eV，能吸收太陽光譜中大部分可見光。②能帶位置：光生電子需要躍遷到高于真空能級的位置才能被外部物質(zhì)捕獲并參與反應(yīng)，光生空穴則需要低于費(fèi)米能級的位置才能有效氧化吸附物。因此，價帶頂?shù)奈恢茫ㄏ鄬τ谡婵漳芗墸┖蛯?dǎo)帶底的位置（相對于費(fèi)米能級）對催化反應(yīng)（如氧化和還原）的進(jìn)行至關(guān)重要。③能帶結(jié)構(gòu)缺陷/表面態(tài)：半導(dǎo)體表面的缺陷態(tài)或摻雜能級可以充當(dāng)電子或空穴的陷阱，有效捕獲光生載流子，阻止其重新復(fù)合，從而提高量子效率。④異質(zhì)結(jié)：在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，能帶偏移形成的內(nèi)建電場可以極大地促進(jìn)光生電子-空穴對在界面處的分離，顯著提高光催化效率。因此，通過調(diào)控半導(dǎo)體的能帶寬度、位置以及引入缺陷或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，可以顯著影響其光催化活性。2.以一種具體的有機(jī)污染物為例，簡述其光催化降解機(jī)理，并說明影響降解效果的主要因素。答案：以有機(jī)染料亞甲基藍(lán)（MB）為例，其光催化降解機(jī)理通常包括：①吸附：MB分子通過π-π電子作用或靜電引力吸附在光催化劑（如TiO2）表面。②光激發(fā)：TiO2吸收能量大于其禁帶寬度的光子（如紫外光或部分可見光），產(chǎn)生光生電子（e-）躍遷到導(dǎo)帶，留下空穴（h+）留在價帶。③載流子分離與遷移：光生e-和h+在TiO2內(nèi)建電場作用下被分離，并分別向催化劑表面遷移。④表面氧化還原反應(yīng)：遷移到表面的e-可以將吸附在催化劑表面的溶解氧（O2）還原成超氧自由基（·O2-）；h+可以將吸附在表面的水分子或氫氧根離子（OH-）氧化生成羥基自由基（·OH）。⑤污染物降解：超氧自由基和羥基自由基是強(qiáng)氧化劑，進(jìn)攻MB分子，首先破壞其發(fā)色團(tuán)（苯環(huán)共軛體系），使其脫色；隨后，這些自由基繼續(xù)攻擊MB分子，將其礦化為CO2和H2O等無機(jī)小分子。⑥產(chǎn)物脫附：降解產(chǎn)物從催化劑表面脫附，催化劑再生。影響MB光催化降解效果的主要因素包括：①催化劑因素：催化劑的種類、形貌、比表面積、光生載流子分離效率等。②光源因素：光源的波長、強(qiáng)度和照射時間。③污染物因素：MB的初始濃度、pH值（影響吸附和自由基產(chǎn)生）。④反應(yīng)條件：溶液中溶解氧的含量、pH值、共存物質(zhì)（如無機(jī)鹽、其他有機(jī)物）等。3.結(jié)合實際應(yīng)用，論述構(gòu)建光催化復(fù)合材料的必要性和優(yōu)勢。答案：構(gòu)建光催化復(fù)合材料（也稱為異質(zhì)結(jié)或復(fù)合材料）具有重要的必要性和顯著優(yōu)勢，尤其在實際應(yīng)用中。必要性主要源于對單一半導(dǎo)體光催化劑性能的局限性需要突破，以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和提高效率。優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①擴(kuò)展光響應(yīng)范圍：通過將寬禁帶半導(dǎo)體與窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合，利用窄帶半導(dǎo)體的可見光吸收能力，可以將復(fù)合材料的光譜響應(yīng)范圍從紫外區(qū)擴(kuò)展到可見光區(qū)，更有效地利用太陽光能。②提高光生載流子分離效率：不同能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體之間形成的內(nèi)建電場或能帶偏移，可以極大地促進(jìn)光生電子-空穴對在界面處的分離，減少復(fù)合損失，從而顯著提高量子效率。③改善電荷傳輸：復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)或特殊界面可以提供更有效的電荷傳輸通道，加速載流子向反應(yīng)活性位點遷移。④增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性和抗腐蝕性：將半導(dǎo)體與載體（如活性炭、粘土、金屬氧化物等）復(fù)合，可以提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其