2025年大學《化學測量學與技術》專業(yè)題庫——化學測量技術在能源研究中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在燃料電池研究中，電化學阻抗譜（EIS）主要用于測量（）。A.電池的充放電電流B.電池的電壓輸出C.電池內(nèi)部電阻和電容特性D.電解液的導電性2.用于在線監(jiān)測大氣中CO?濃度的化學測量技術，最不適宜采用（）。A.非分散紅外吸收（NDIR）技術B.氣相色譜法C.恒電流電解法D.氫化物發(fā)生-原子吸收光譜法3.下列哪種化學測量技術最適合用于原位、實時監(jiān)測固體催化劑表面反應物和產(chǎn)物的吸附/脫附行為？（）A.紫外-可見分光光度法B.拉曼光譜法C.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）光譜法D.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）法4.在太陽能電池效率測試中，需要精確測量（）。A.單個光子的能量B.入射到電池表面的太陽輻射強度C.電池的溫度D.電池內(nèi)部載流子壽命5.電化學傳感器在能源領域（如氫氣檢測）的主要優(yōu)勢之一是（）。A.可測樣品范圍極廣B.通常具有高靈敏度和快速響應C.儀器成本極低D.不受干擾，選擇性極高6.熱重分析（TGA）在電池材料研究中最常用于（）。A.測定電池的容量B.分析材料的晶體結構C.確定材料的分解溫度和失重率（如評估穩(wěn)定性）D.測量電池的功率密度7.為了提高化學測量技術在復雜能源樣品（如生物質(zhì)燃料）分析中的選擇性，常采用（）策略。A.增加樣品量B.使用高效色譜柱C.采用多組分聯(lián)用技術（如多維色譜、光譜-質(zhì)譜聯(lián)用）D.降低檢測器靈敏度8.在核能應用中，對輻射環(huán)境的監(jiān)測主要依賴（）。A.光學顯微鏡B.放射化學分析方法C.電化學傳感器D.輻射探測器（如蓋革計數(shù)器、閃爍計數(shù)器等）9.下列關于化學測量技術在可再生能源（如光合作用）研究中的應用描述，錯誤的是（）。A.可用于實時監(jiān)測葉綠素熒光變化B.可用于測定CO?固定速率C.可用于分析環(huán)境因子（光、溫、水）對光合作用的影響D.通常能直接替代植物本身進行光合作用10.構建高靈敏度、高選擇性化學傳感器用于能源小分子（如乙醇、乳酸）檢測時，關鍵在于（）。A.提高檢測器的響應時間B.優(yōu)化傳感界面設計與材料選擇C.降低儀器的制造成本D.擴大儀器的測量范圍二、填空題（每空1分，共15分）1.化學計量學中的__________原理是處理多組分混合物分析問題的強大工具，在能源樣品復雜組分分析中具有重要應用。2.在電化學分析中，測量電極電位相對于標準氫電極（SHE）的電位差，稱為__________電位。3.用于制備和分析微量或超痕量樣品，實現(xiàn)樣品前處理與測量的聯(lián)立，是化學測量技術在能源領域的重要發(fā)展方向之一，例如__________技術。4.光譜分析法基于物質(zhì)對__________的選擇性吸收、發(fā)射或散射來進行分析。5.在電池儲能系統(tǒng)監(jiān)測中，除了能量效率，__________也是評估其性能的關鍵指標。6.原子吸收光譜法（AAS）主要用于測定樣品中__________元素的含量，在能源礦物分析中常用。7.拉曼光譜技術對__________振動信息敏感，可用于研究能源材料分子結構及相互作用。8.化學測量數(shù)據(jù)的處理常涉及__________、校準、誤差分析等步驟，以確保結果的準確可靠。9.針對能源領域?qū)焖?、便攜式檢測的需求，__________分析技術因其小型化、自動化潛力而備受關注。10.在環(huán)境監(jiān)測中，利用化學測量技術對化石能源利用產(chǎn)生的__________等進行定量分析，對環(huán)境保護至關重要。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述化學測量技術在可再生能源（如太陽能光伏）效率評估中的作用。2.比較原子吸收光譜法（AAS）和原子熒光光譜法（AFS）在能源相關樣品金屬元素分析中的應用特點。3.解釋什么是電化學傳感器的選擇性，并列舉至少兩種提高其選擇性的方法。4.描述化學測量技術在監(jiān)測能源轉(zhuǎn)化過程（如燃燒）過程中污染物排放的常用方法及其原理。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述化學測量學中光譜分析技術（如紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振等）在能源材料（如催化劑、電池材料、儲能材料）表征與性能研究中的應用價值。2.結合具體實例，論述化學測量技術在解決能源與環(huán)境問題（如化石能源清潔利用、新能源發(fā)展中的環(huán)境監(jiān)測）中的作用和面臨的挑戰(zhàn)。五、計算題（每題7分，共14分）1.某電化學傳感器對目標物X的響應符合能斯特方程。在25℃時，測得空白溶液（不含X）的電位為E?=0.350V（相對于Ag/AgCl參比電極），加入一定濃度X后，電位變?yōu)镋?=0.280V。已知該傳感器的斜率為58.0mV/decade（相對于標準氫電極），參比電極電位E?=0.210V。請計算該傳感器測得溶液中X的濃度。（假設能斯特響應理想，且使用的是銀/氯化銀參比電極，其電極電位已給定）2.某環(huán)境監(jiān)測項目需要測定水中痕量汞（Hg2?）。采用冷原子吸收光譜法（AAS），測得樣品信號峰面積為A=15.0cm3·s?1。已知使用標準曲線法，當信號峰面積為A?=10.0cm3·s?1時，對應濃度為C?=2.0μg/L。若儀器背景信號為A_b=1.0cm3·s?1，請計算樣品中Hg2?的實際濃度。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.B6.C7.C8.D9.D10.B二、填空題1.最小二乘2.溶液3.微流控4.光5.儲能效率6.微量7.非對稱8.數(shù)字化9.在線10.溫室氣體三、簡答題1.化學測量技術可用于表征光伏材料（如硅、鈣鈦礦）的結構、純度、光學和電學性質(zhì)。通過光譜法（如UV-Vis,FTIR,Raman）分析材料組分和缺陷，通過電化學方法（如循環(huán)伏安法）評估材料的電化學活性、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，通過熱分析法（TGA,DSC）研究材料的相變和熱穩(wěn)定性，從而為提高太陽能電池的效率和壽命提供關鍵數(shù)據(jù)支持。2.AAS基于原子對特定波長輻射的吸收，靈敏度高，但火焰法選擇性較差。AFS基于原子蒸氣對輻射的熒光，具有更高的靈敏度（通常比AAS高2-3個數(shù)量級），且原子化過程（電熱石墨爐）的選擇性相對較好，特別適用于痕量堿金屬和貴金屬的測定。在能源樣品分析中，AFS常用于測定催化劑或環(huán)境樣品中的痕量堿金屬（如Na,K）或貴金屬（如Pt,Pd）。3.電化學傳感器的選擇性是指傳感器對目標分析物產(chǎn)生響應，而對其中共存的其他物質(zhì)響應很小的能力。提高選擇性的方法包括：①接觸選擇：利用功能材料修飾傳感界面，使其能與目標物特異性結合；②電位選擇：通過選擇合適的電極體系或施加特定的電位，使目標物在電位窗口內(nèi)產(chǎn)生選擇性響應；③信號轉(zhuǎn)換選擇：設計獨特的信號轉(zhuǎn)換機制，增強目標物引起的信號變化。例如，使用分子印跡聚合物作為識別層或設計基于特定反應機理的電化學傳感器。4.化學測量技術廣泛應用于監(jiān)測能源轉(zhuǎn)化過程中的污染物排放。例如，利用紅外光譜法（IR）或紫外光譜法（UV）在線監(jiān)測燃燒過程中產(chǎn)生的CO,NOx,SO?等氣體污染物。利用氣相色譜法（GC）分離和質(zhì)譜法（MS）檢測揮發(fā)性有機物（VOCs）。利用電化學傳感器實時監(jiān)測煙氣或水中污染物濃度。這些技術為優(yōu)化燃燒過程、減少環(huán)境污染提供了關鍵的數(shù)據(jù)支持。四、論述題1.光譜分析技術是能源材料表征的核心手段。紅外光譜（IR）可提供材料分子振動信息，用于鑒定官能團、研究分子結構與成鍵、分析催化劑活性位點表面物種。拉曼光譜（Raman）提供非對稱振動信息，可補充紅外信息，用于區(qū)分同分異構體、研究晶體結構、檢測應力應變、監(jiān)測催化劑表面吸附和表面反應。核磁共振（NMR）波譜可用于研究材料的宏觀結構（如聚合物鏈構象、固體骨架）和微觀結構（如孔結構、官能團分布），以及催化劑活性金屬的配位環(huán)境、配體種類等。紫外-可見光譜（UV-Vis）用于評估材料的電子結構、光吸收特性（如光伏材料能帶隙）、染料敏化太陽能電池中的染料吸附和電子轉(zhuǎn)移。X射線衍射（XRD）雖然嚴格不屬于光譜法，但常與光譜技術結合，用于表征材料的晶體結構、相組成和晶粒尺寸，對催化劑和儲能材料性能至關重要。這些光譜技術相互補充，為能源材料的理性設計、性能優(yōu)化和失效分析提供了強大的工具。2.化學測量技術在解決能源與環(huán)境問題中扮演著關鍵角色。在能源領域，它用于能源材料的高效表征（如催化劑活性位點識別、電池材料結構-性能關系研究），新能源轉(zhuǎn)化過程（如光合作用效率、燃料電池性能）的原位、實時監(jiān)測，以及能源利用效率的精確評估。在環(huán)境領域，化學測量技術是能源活動環(huán)境影響評價的基礎，用于監(jiān)測化石能源燃燒產(chǎn)生的溫室氣體（CO?,CH?）、酸雨前體物（SO?,NOx）、空氣污染物（PM2.5,O?,VOCs）和水體污染物（重金屬、有機物）的排放濃度和總量。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)為制定環(huán)保政策、優(yōu)化能源結構、開發(fā)清潔能源技術和評估減排效果提供了科學依據(jù)。面臨的挑戰(zhàn)包括：①復雜能源樣品（如生物質(zhì)、工業(yè)廢料）分析的選擇性和靈敏度要求高；②在線、實時、原位、低成本、高可靠性的現(xiàn)場監(jiān)測技術需求迫切；③大規(guī)模、長期、連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和標準化問題；④將測量數(shù)據(jù)與能源和環(huán)境模型有效結合，進行預測和決策支持。五、計算題1.解：使用能斯特方程對數(shù)形式，ln(i/i?)=(k/nF)*(E-E?)，其中傳感器斜率k=58.0mV/decade=0.058V/decade=(0.058V/0.1V)*10=0.58V.E?為電池電動勢，E=E?-E?+E?。n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，通常假設n=1。i?為空白溶液電流，i為含X溶液電流。將E?,E?,E?代入E?得E?=0.350-0.280+0.210=0.280V.因為是傳感器響應，假設i?=1,i=1/(E?-E?+k/(nF)*log(i/i?))=1/(0.280-0.350+0.58/(1*96485))*log(1/1)=1/(-0.070+0.58/96485)*0=undefined.修正思路：傳感器斜率k對應電位變化與濃度變化的關系。ΔE=E?-E?=(k/nF)*log(C/C?)。這里k是傳感器斜率，n=1,F=96485C/mol,C?是待求濃度。空白電位Eblank=E?-E?=0.350-0.210=0.140V.含X電位E_sample=E?-E?=0.280-0.210=0.070V.電位變化ΔE=Eblank-E_sample=0.140-0.070=0.070V.代入公式：0.070=(0.58/(1*96485))*log(C/C?)。0.070=(0.58/96485)*log(C/C?)。log(C/C?)=0.070*(96485/0.58)=0.070*166.47=11.653.C/C?=10^11.653=4.46x10^11.C=4.46x10^11*C?=4.46x10^11*1(假設C?單位為1，如mol/L)=4.46x10^11mol/L.(此計算結果顯然不合理，需重新審視假設或題目條件，常見可能是k值單位或基準錯誤，此處按標準能斯特斜率0.059V/decade@25C計算，即k=0.059V，則0.070=(0.059/96485)*log(C/C?),log(C/C?)=0.070*(96485/0.059)=11.423,C/C?=10^11.423=2.72x10^11.C=2.72x10^11mol/L.仍不合理。最可能的理解是傳感器斜率直接用于濃度計算，忽略能斯特方程標準形式，即ΔE=k*log(C/C?)。則log(C/C?)=ΔE/k=0.070/0.058=1.207。C/C?=10^1.207=16.3。C=16.3*C?。若C?=1,C=16.3。此結果更符合預期，但需注意題目給定的斜率值。最終結果按此理解：C=16.3*C?。若C?單位不清，則結果為16.3倍空白濃度。)(修正與澄清：計算題1中，題目給傳感器斜率58.0mV/decade，標準能斯特斜率約為59.2mV/decade@25°C。若直接用k=0.058V，則計算結果16.3倍似乎合理。但通常k=58mV/decade=5.8mV/