2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——能源化學(xué)在環(huán)境治理中的應(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。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種能源化學(xué)過(guò)程通常伴隨著熵的增加？A.燃料燃燒B.電池放電C.催化劑表面吸附反應(yīng)D.電解水2.在利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化降解水中有機(jī)污染物時(shí)，提高量子效率的主要途徑之一是：A.使用更廉價(jià)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料B.增大半導(dǎo)體的比表面積C.選用與污染物吸收光譜匹配的寬禁帶半導(dǎo)體D.提高溶液的pH值3.下列關(guān)于燃料電池在環(huán)境治理中應(yīng)用的描述，錯(cuò)誤的是：A.可用于處理有機(jī)廢水，同時(shí)回收電能B.直接燃料電池可減少燃燒過(guò)程產(chǎn)生的NOxC.燃料電池產(chǎn)生的熱量可被回收利用，提高能源效率D.燃料電池本身會(huì)產(chǎn)生大量的SO2排放4.活性炭吸附法凈化氣體污染物，其吸附容量主要取決于：A.污染物的水溶性B.污染物分子的大小C.活性炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)D.氣體的流速5.電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）在處理難降解有機(jī)物時(shí)的主要優(yōu)勢(shì)在于：A.操作條件溫和，可在常溫常壓下進(jìn)行B.試劑成本低廉，易于大規(guī)模應(yīng)用C.可選擇性地破壞有機(jī)物的特定化學(xué)鍵D.無(wú)需復(fù)雜的后處理步驟6.用于煙氣脫硝（SCR）的催化劑，通常要求具有較高的：A.活性溫度范圍B.機(jī)械強(qiáng)度C.耐毒性D.以上都是7.下列哪種技術(shù)主要利用微生物的代謝活動(dòng)來(lái)降解環(huán)境中的污染物？A.光催化氧化B.吸附法C.植物修復(fù)D.電化學(xué)還原8.提高吸附劑對(duì)水中重金屬離子（如Pb2?,Cd2?）吸附性能的一個(gè)有效方法是：A.增大吸附劑的粒徑B.降低溶液的pH值C.使用表面帶有酸性官能團(tuán)的吸附劑D.提高溶液中重金屬離子的初始濃度9.將CO?轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品或燃料，屬于能源化學(xué)在哪個(gè)方面的應(yīng)用？A.大氣污染控制B.水體污染治理C.溫室氣體減排與資源化D.土壤修復(fù)10.下列能源化學(xué)技術(shù)中，最能體現(xiàn)能源與環(huán)境協(xié)同效應(yīng)的是：A.傳統(tǒng)燃燒發(fā)電B.太陽(yáng)能光熱發(fā)電C.風(fēng)力發(fā)電耦合電解水制氫D.地?zé)崮馨l(fā)電二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.催化劑在環(huán)境治理中的核心作用是通過(guò)降低活化能來(lái)加快__________反應(yīng)的速率。2.電化學(xué)方法治理水體污染時(shí)，陽(yáng)極通常發(fā)生__________反應(yīng)，陰極通常發(fā)生__________反應(yīng)。3.光催化技術(shù)利用半導(dǎo)體的__________吸收光能，產(chǎn)生光生電子和空穴，進(jìn)而參與反應(yīng)。4.選擇吸附劑處理特定污染物時(shí)，應(yīng)考慮其與污染物分子間的作用力，如__________力和__________力。5.氧化還原電位是衡量物質(zhì)氧化或還原能力的一個(gè)指標(biāo)，F(xiàn)enton法中使用的__________就是強(qiáng)氧化劑。6.生物燃料電池是一種將生物質(zhì)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為_(kāi)_________和電能的裝置。7.土壤修復(fù)中，植物修復(fù)技術(shù)利用植物體吸收、轉(zhuǎn)化和積累土壤中的__________。8.提高燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于降低__________和__________損失。9.環(huán)境電化學(xué)中，衡量電極材料耐腐蝕性能的重要指標(biāo)是__________。10.將環(huán)境污染物轉(zhuǎn)化為對(duì)人類(lèi)或生態(tài)系統(tǒng)無(wú)害甚至有益的物質(zhì)的過(guò)程，稱(chēng)為_(kāi)_________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述太陽(yáng)能光催化技術(shù)在水處理中的基本原理及其主要局限性。2.比較活性炭和沸石作為吸附劑的優(yōu)缺點(diǎn)。3.解釋什么是燃料電池的“逆向工作”，并說(shuō)明其在環(huán)境治理中的潛在應(yīng)用。四、計(jì)算題（共10分）某電化學(xué)氧化系統(tǒng)在恒電流條件下處理廢水，測(cè)得初始濃度為C?的有機(jī)污染物在10分鐘后濃度降至C，假設(shè)該反應(yīng)為準(zhǔn)一級(jí)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制。已知該系統(tǒng)的電流效率為75%，求該反應(yīng)的平均表觀速率常數(shù)k（以單位濃度/分鐘表示）。五、論述題（共25分）論述利用能源化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室氣體（以CO?為例）減排與資源化的途徑、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.C5.C6.D7.C8.C9.C10.C二、填空題1.環(huán)境污染2.氧化；還原3.能帶間隙4.物理吸附；化學(xué)吸附5.草酸根/羥基自由基6.電化學(xué)7.重金屬污染物8.電能；熱能9.腐蝕電位10.污染物降解三、簡(jiǎn)答題1.原理：光催化技術(shù)利用半導(dǎo)體材料在光照下產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這些高活性粒子具有強(qiáng)氧化還原性，能降解水中的有機(jī)污染物或?qū)⒂卸窘饘匐x子還原為毒性較低的形態(tài)?；具^(guò)程包括光能吸收、電荷產(chǎn)生與分離、表面反應(yīng)（吸附、氧化/還原）以及電荷復(fù)合。局限性：光能利用率不高（受光照強(qiáng)度、波長(zhǎng)、半導(dǎo)體帶隙等限制）；光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率較高，限制了量子效率；部分催化劑存在穩(wěn)定性、成本和二次污染問(wèn)題；對(duì)實(shí)際水體中復(fù)雜組分和非均相界面反應(yīng)的調(diào)控難度大。2.優(yōu)點(diǎn)（活性炭）：比表面積大、吸附能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制備成本低、應(yīng)用成熟。缺點(diǎn)（活性炭）：吸附選擇性差（非極性吸附為主）、易產(chǎn)生二次污染（脫附）、機(jī)械強(qiáng)度較差、再生困難。優(yōu)點(diǎn)（沸石）：分子篩分效應(yīng)（選擇性好）、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、易于再生、可調(diào)孔道結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)（沸石）：比表面積通常小于活性炭、制備成本相對(duì)較高、對(duì)極性分子吸附能力可能不如活性炭。3.逆向工作：指燃料電池反向運(yùn)行，即不輸入燃料和氧化劑，而是外加直流電，利用水的分解產(chǎn)物氫氣和氧氣（或其溶解物）進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電能和熱量。潛在應(yīng)用：作為微型電源為便攜式電子設(shè)備供電；在燃料電池系統(tǒng)（如SOFC）的啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中輔助進(jìn)行水管理；小型電解水制氫裝置的自給能系統(tǒng)；用于驅(qū)動(dòng)某些電化學(xué)修復(fù)過(guò)程。四、計(jì)算題解：根據(jù)準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，ln(C?/C)=kt。表觀速率常數(shù)k=(1/t)*ln(C?/C)。已知電流效率η=75%=0.75。實(shí)際傳遞的電子數(shù)與理論所需電子數(shù)之比為電流效率，即實(shí)際反應(yīng)速率與理想狀態(tài)下由電流提供的反應(yīng)速率之比為0.75。設(shè)理想狀態(tài)下，t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化濃度為C?的污染物所需的電量為Q_th，則由電流I提供，Q_th=It。實(shí)際反應(yīng)轉(zhuǎn)化了濃度從C?到C的污染物，實(shí)際消耗的電量為Q_act，則Q_act=η*Q_th=0.75*It。由法拉第定律，轉(zhuǎn)移的摩爾數(shù)n=Q/F，其中F為法拉第常數(shù)。反應(yīng)速率v=Δn/(V*Δt)，其中V為體積。對(duì)于準(zhǔn)一級(jí)電化學(xué)反應(yīng)，v=k'*C，k'為基于濃度變化速率的速率常數(shù)。結(jié)合電流效率與速率的關(guān)系：v/v_max=η，其中v_max為理論最大速率。v_max=I/(n?F/V)=I*F*n?/V，n?為初始摩爾濃度。v=η*v_max=η*I*F*n?/V。又v=k'*C?(初始濃度下速率)。k'=v/C?=η*I*F*n?/(V*C?)。但k'與k的關(guān)系為：k'=k*F/(R*T)（假設(shè)為電化學(xué)控制，k為表觀速率常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，此公式為示例，實(shí)際速率常數(shù)表達(dá)式可能不同，但解題思路是基于電流效率和反應(yīng)速率的定義）。在本題設(shè)定下，更直接的推算基于電流效率和總轉(zhuǎn)化量：k=(1/t)*ln(C?/C)=(1/t)*ln(1-(C?-C)/C?)=(1/t)*ln(1-(1-C/C?))。k=(1/t)*ln(C/C?)?？紤]電流效率影響，實(shí)際速率是理想速率的0.75倍，即k_actual=0.75*k_ideal。在本題的簡(jiǎn)化模型中，我們直接使用k=(1/t)*ln(C?/C)來(lái)計(jì)算表觀速率常數(shù)，題目未明確區(qū)分k_actual與k_ideal，故采用標(biāo)準(zhǔn)公式。假設(shè)C?=1,C=0.1(示例濃度變化)，t=10分鐘：k=(1/10)*ln(1/0.1)=(1/10)*ln(10)≈0.2303濃度/分鐘。若需考慮電流效率，需明確題意，此處按標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算。最終答案：k=(1/t)*ln(C?/C)=(1/10)*ln(C?/C)（需代入具體濃度值計(jì)算具體數(shù)值）。五、論述題利用能源化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO?減排與資源化是一個(gè)復(fù)雜但至關(guān)重要的領(lǐng)域，涉及多個(gè)途徑、面臨諸多挑戰(zhàn)，并具有廣闊的發(fā)展前景。主要途徑包括：1.吸附與富集：利用多孔材料（如活性炭、沸石、金屬有機(jī)框架MOFs、碳納米管等）的高比表面積和選擇性吸附位點(diǎn)，從大氣或工業(yè)排放源中捕獲CO?。該方法技術(shù)成熟，但吸附容量有限，吸附劑再生能耗高，材料成本和壽命是關(guān)鍵問(wèn)題。2.催化轉(zhuǎn)化：通過(guò)設(shè)計(jì)高效的催化劑，將CO?轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品（如合成氣CO+H?，進(jìn)而用于合成甲醇、乙酸、烯烴等）或燃料（如通過(guò)電催化、光催化或熱催化轉(zhuǎn)化為甲烷、乙醇等）。這是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性的催化劑，并優(yōu)化反應(yīng)條件以降低能耗。電催化劑在酸性介質(zhì)中將CO?還原為多碳產(chǎn)物具有潛力，但選擇性控制是難點(diǎn)。3.電化學(xué)轉(zhuǎn)化：利用電化學(xué)原理，在電催化劑表面驅(qū)動(dòng)CO?的還原反應(yīng)。通過(guò)調(diào)控電極材料、電位、電解液等，可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)物（如CO、H?、甲酸鹽、烴類(lèi)）的選擇性生成。該方法條件相對(duì)溫和，易于控制產(chǎn)物選擇性，但能量效率和電流密度仍有待提高。4.光催化轉(zhuǎn)化：利用半導(dǎo)體光催化劑吸收光能，激發(fā)光生載流子，在催化劑表面將CO?轉(zhuǎn)化為有機(jī)物或燃料。該方法利用可再生太陽(yáng)能，環(huán)境友好，但光能利用率低、光生載流子復(fù)合率高、催化劑穩(wěn)定性及成本是主要挑戰(zhàn)。5.結(jié)合可再生能源：將上述轉(zhuǎn)化過(guò)程與太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合，利用可再生能源提供驅(qū)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)CO?的可持續(xù)轉(zhuǎn)化。例如，光熱轉(zhuǎn)換CO?、電解水制氫再與CO?合成甲醇、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化耦合CO?固定等。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括：開(kāi)發(fā)具有更高吸附容量和選擇性的CO?吸附材料；設(shè)計(jì)具有更高活性、選擇性、穩(wěn)定性和抗毒性的CO?轉(zhuǎn)化催化劑（包括均相和多相催化劑）；深入理解CO?在催化劑表面的吸附、活化、轉(zhuǎn)化機(jī)理，為催化劑設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)；提高電化學(xué)和光催化過(guò)程的能量效率；優(yōu)化反應(yīng)工藝，降低整體過(guò)程的能耗和經(jīng)濟(jì)成本。面臨的挑戰(zhàn)主要有：現(xiàn)有技術(shù)的能量效率普遍不高，部分過(guò)程需要高溫或高壓條件，導(dǎo)致能耗增加；催化劑的性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性、壽命）與成本之間的平衡；CO?氣體的低濃度、高擴(kuò)散性給吸附和轉(zhuǎn)化帶來(lái)困難；規(guī)模化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性；CO?轉(zhuǎn)化產(chǎn)物市場(chǎng)和應(yīng)用途徑的拓展；過(guò)程的安全性和環(huán)境影響評(píng)估。