2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——無機(jī)材料的功能化設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種方法通常用于在材料晶格中引入雜質(zhì)原子以改變其電學(xué)或光學(xué)性質(zhì)？（）A.表面蝕刻B.離子注入C.溶膠-凝膠法D.活性炭吸附2.欲制備具有高比表面積和豐富孔道的無機(jī)吸附材料，常采用的方法是？（）A.高溫?zé)Y(jié)B.溶膠-凝膠法C.水熱/溶劑熱法D.真空熱處理3.對于半導(dǎo)體材料的n型摻雜，通常應(yīng)引入哪種類型的雜質(zhì)元素？（）A.金屬性元素B.非金屬性元素C.稀土元素D.過渡金屬元素4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析什么？（）A.材料的晶體結(jié)構(gòu)B.材料的表面元素組成及化學(xué)態(tài)C.材料的宏觀形貌D.材料的磁性能5.在設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu)無機(jī)材料時(shí)，核層通常起到的作用是？（）A.提供特定的光學(xué)性質(zhì)B.提供特定的催化活性位點(diǎn)C.作為內(nèi)核材料，其性質(zhì)決定整體功能D.保護(hù)殼層材料不被腐蝕6.下列哪種技術(shù)不屬于典型的物理改性方法？（）A.等離子體處理B.離子交換C.激光刻蝕D.化學(xué)氣相沉積7.沸石材料功能化應(yīng)用廣泛，其獨(dú)特的性能主要來源于？（）A.高熔點(diǎn)B.優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度C.高比表面積和規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)D.穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)8.功能化設(shè)計(jì)理念的核心是？（）A.盡可能使用昂貴的原材料B.采用最復(fù)雜的合成路線C.根據(jù)特定需求，選擇合適的材料并進(jìn)行改性以獲得期望的功能D.忽略材料的成本和環(huán)境影響9.固態(tài)電解質(zhì)在新能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用是？（）A.涂料防腐B.固態(tài)鋰離子電池C.氣體分離膜D.水凈化10.利用廢棄物如粉煤灰制備高附加值的無機(jī)功能材料，體現(xiàn)了資源化學(xué)的？（）A.高消耗原則B.資源綜合利用原則C.化學(xué)合成優(yōu)先原則D.忽視環(huán)境影響原則二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.無機(jī)材料的功能化設(shè)計(jì)通常涉及對其結(jié)構(gòu)、______、表面性質(zhì)等進(jìn)行調(diào)控。2.摻雜是改變無機(jī)材料______、力學(xué)、光學(xué)等性能的重要功能化手段。3.水熱/溶劑熱法通常在______和______條件下進(jìn)行，有利于合成具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料。4.缺陷工程通過調(diào)控材料中的______和______來影響其電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)。5.表面改性可以提高無機(jī)材料的______、______等性能。6.X射線衍射（XRD）主要用于表征材料的______。7.設(shè)計(jì)無機(jī)材料的核殼結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮核層和殼層的______匹配以及界面的______。8.資源化學(xué)視角下的無機(jī)材料功能化，應(yīng)注重對______和______的利用。9.光電催化材料的功能化設(shè)計(jì)常關(guān)注其______和______的協(xié)同增強(qiáng)。10.選擇合適的無機(jī)材料進(jìn)行功能化前，首先需要明確其______和______。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述離子注入技術(shù)用于無機(jī)材料功能化改性的基本原理及其優(yōu)點(diǎn)。2.簡述表面改性方法在提高無機(jī)材料吸附性能方面的作用機(jī)制。3.簡述缺陷工程對半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響。4.簡述溶劑熱法在合成多功能無機(jī)納米材料方面的優(yōu)勢。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述利用低品位氧化銅礦資源，通過功能化設(shè)計(jì)制備高效氧化劑或催化劑的思路和可能采用的方法。2.論述無機(jī)材料表面功能化對其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如藥物載體、生物傳感器、組織工程）應(yīng)用的影響。3.選擇一種你熟悉的無機(jī)功能材料（如光催化劑、傳感器材料、儲(chǔ)能材料等），設(shè)計(jì)一個(gè)其功能化改性的方案，闡述設(shè)計(jì)思路、選擇理由、預(yù)期效果及可能面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.A4.B5.C6.B7.C8.C9.B10.B二、填空題1.缺陷2.電學(xué)3.高溫高壓4.缺陷種類數(shù)量5.吸附性表面活性6.晶體結(jié)構(gòu)7.化學(xué)性質(zhì)界面結(jié)合力8.廢棄資源工業(yè)副產(chǎn)9.光吸收效率量子產(chǎn)率10.功能需求物理化學(xué)性質(zhì)三、簡答題1.答案：離子注入技術(shù)是將能量較高的離子束轟擊材料表面，使離子進(jìn)入材料內(nèi)部，從而改變其表面或近表面區(qū)域的元素組成、晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。其原理是利用離子的動(dòng)能與材料原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給材料原子，使其發(fā)生位移甚至濺射，同時(shí)注入離子填充形成的空位。優(yōu)點(diǎn)包括：改性深度可控（通過能量和劑量調(diào)節(jié)）、元素種類豐富、可在室溫下進(jìn)行、可制備梯度材料、對材料整體性能影響小等。解析思路：考察對離子注入基本過程和原理的理解。需要回答出是什么（離子注入）、怎么做（高能離子轟擊）、為什么能做進(jìn)去（能量傳遞、碰撞位移/注入）、改變化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)（深度可控、元素廣、室溫、梯度、影響?。?.答案：表面改性通過引入官能團(tuán)、改變表面形貌或組成等方式，可以顯著提高無機(jī)材料的吸附性能。其作用機(jī)制主要包括：①增大比表面積：通過刻蝕、形成孔洞或使用模板法等增加材料的表面積。②提高表面能：通過化學(xué)修飾引入極性或親水性官能團(tuán)，增強(qiáng)材料與吸附質(zhì)之間的相互作用力（如范德華力、氫鍵、靜電引力）。③調(diào)控表面電荷：通過表面氧化或還原、離子交換等改變表面電荷，增強(qiáng)對帶相反電荷吸附質(zhì)的吸附。④產(chǎn)生特定活性位點(diǎn)：通過表面處理引入或暴露具有高吸附活性的位點(diǎn)（如缺陷、特定晶面）。解析思路：考察對表面改性提升吸附性能的理解。需要從增加表面積、增強(qiáng)表面能與吸附質(zhì)相互作用（極性、電荷、活性位點(diǎn)）等角度闡述其作用機(jī)制。3.答案：缺陷工程是指通過人為控制或調(diào)控材料中點(diǎn)缺陷（如空位、填隙原子）、線缺陷（位錯(cuò)）、面缺陷（晶界、表面）和體缺陷（孔洞、相界）的種類、濃度和分布，來精確調(diào)控材料的電學(xué)性質(zhì)。對于半導(dǎo)體材料，摻雜（引入替位或填隙雜質(zhì)原子）是典型的缺陷工程手段，可以顯著改變其能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其導(dǎo)電類型（n型或p型）和載流子濃度。非化學(xué)計(jì)量比、控制生長條件以產(chǎn)生特定缺陷（如氧空位、金屬間隙原子）也能有效調(diào)控半導(dǎo)體的能帶隙、載流子壽命和遷移率等電學(xué)性能。解析思路：考察缺陷工程與電學(xué)性質(zhì)關(guān)聯(lián)的理解。需要指出缺陷種類、濃度分布的重要性，并具體說明摻雜如何改變能帶和載流子濃度，以及非化學(xué)計(jì)量比等如何影響電學(xué)性能。4.答案：溶劑熱法在合成多功能無機(jī)納米材料方面具有顯著優(yōu)勢。①獨(dú)特的環(huán)境：高溫（通常>100°C）和高壓（溶劑蒸氣壓）環(huán)境，有利于抑制納米顆粒的團(tuán)聚，促進(jìn)形成超細(xì)、均勻的顆?；蛱囟ㄐ蚊玻ㄈ缂{米線、納米管、中空結(jié)構(gòu)）。②組分溶解與均勻混合：高溫高壓下，前驅(qū)體（如金屬鹽、醇鹽）在溶劑中溶解度增大，反應(yīng)物濃度高且均勻，有利于形成均勻的成核點(diǎn)和晶體結(jié)構(gòu)。③合成新材料：溶劑熱條件可以合成在常規(guī)條件下難以合成或穩(wěn)定性差的材料，如某些金屬有機(jī)框架（MOFs）、非化學(xué)計(jì)量比材料、高壓相等。④一步合成多功能材料：可以在溶劑熱過程中引入功能基團(tuán)或進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)多功能材料的原位合成，簡化工藝。解析思路：考察對溶劑熱法優(yōu)勢的理解。需要從抑制團(tuán)聚、均勻混合、合成新材料、原位合成多功能材料等角度論述其優(yōu)勢。四、論述題1.答案：利用低品位氧化銅礦資源制備高效氧化劑或催化劑的功能化設(shè)計(jì)思路是：首先，通過物理或化學(xué)方法（如破碎、研磨、酸浸、堿浸、生物浸出等）將低品位氧化銅礦進(jìn)行預(yù)處理，選擇性溶解有價(jià)金屬（Cu），去除雜質(zhì)（如Fe,S,Si,Al等），獲得含銅溶液或含銅前驅(qū)體。其次，基于目標(biāo)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)功能化方案：①若制備氧化劑，可考慮將Cu提取后，通過水熱/溶劑熱法、沉淀法、共沉淀法等合成高分散性、特定形貌（如納米顆粒、納米線、立方體）或具有高比表面積的材料（如CuO,Cu2O,Cu基氧化物/硫化物），并通過調(diào)控合成條件（pH、溫度、前驅(qū)體濃度、反應(yīng)時(shí)間）或后續(xù)處理（光陽極敏化、缺陷工程、貴金屬沉積）來優(yōu)化其氧化能力。②若制備催化劑，則需根據(jù)催化反應(yīng)類型（如CO氧化、有機(jī)物降解等），設(shè)計(jì)合成具有特定活性位點(diǎn)（如Cu表面原子、缺陷）、高分散度、合適的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的催化劑，例如通過表面改性引入助劑、調(diào)節(jié)Cu的價(jià)態(tài)（如Cu+/Cu0混合價(jià)態(tài)）或形成核殼結(jié)構(gòu)以提高選擇性和穩(wěn)定性。功能化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇合適的預(yù)處理方法和合成/改性策略，以最大限度地發(fā)揮銅資源的價(jià)值，并獲得滿足特定應(yīng)用的高性能功能材料。解析思路：考察綜合應(yīng)用能力。需要先提出利用低品位礦的預(yù)處理思路，然后針對“氧化劑”和“催化劑”兩種功能，分別設(shè)計(jì)具體的材料合成或改性方案，闡述設(shè)計(jì)依據(jù)、可能采用的方法、需要調(diào)控的參數(shù)以及最終目標(biāo)，體現(xiàn)功能導(dǎo)向和資源利用的理念。2.答案：無機(jī)材料表面功能化對其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用具有至關(guān)重要的影響。①改善生物相容性：通過表面改性（如涂層、接枝聚合物）可以掩蓋材料的生物毒性（如金屬離子釋放、酸性降解產(chǎn)物），降低免疫原性，提高細(xì)胞親和力，從而促進(jìn)組織Integration（如骨整合、細(xì)胞附著增殖）。例如，鈦合金表面氧化膜改性或噴涂生物活性涂層（如羥基磷灰石）可顯著提高其作為植入體的生物相容性。②提高藥物/基因遞送效率：對無機(jī)載體（如納米粒、微球）進(jìn)行表面功能化，引入特定的靶向配體（如抗體、多肽）或長循環(huán)/控釋基團(tuán)，可以增強(qiáng)載體與靶細(xì)胞的特異性結(jié)合，提高藥物/基因在病灶部位的富集和遞送效率，降低副作用。③增強(qiáng)傳感性能：通過表面功能化（如固定生物分子、修飾導(dǎo)電材料）可以構(gòu)建高靈敏度和高選擇性的生物傳感器，用于檢測生物標(biāo)志物（如腫瘤標(biāo)志物、病原體）、血糖等。例如，利用金納米顆粒表面修飾抗體或適配體進(jìn)行生物分子檢測。④實(shí)現(xiàn)組織工程功能：功能化表面可以引導(dǎo)細(xì)胞分化（如仿生礦化環(huán)境）、促進(jìn)血管生成、構(gòu)建具有特定力學(xué)性能和降解速率的支架材料，以支持組織再生和修復(fù)。⑤調(diào)控材料降解行為和性能：通過表面改性可以調(diào)節(jié)材料的降解速率和方式，使其在完成生物功能后安全、有序地消失，或通過表面釋放的活性物質(zhì)（如藥物、生長因子）來調(diào)節(jié)自身降解進(jìn)程和周邊環(huán)境?？傊砻婀δ芑峭卣篃o機(jī)材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，能夠顯著提升材料的性能和治療效果。解析思路：考察對表面功能化在生物醫(yī)學(xué)各應(yīng)用領(lǐng)域影響的理解。需要圍繞改善生物相容性、藥物/基因遞送、生物傳感、組織工程、降解調(diào)控等幾個(gè)關(guān)鍵方面展開論述，結(jié)合具體實(shí)例說明表面功能化如何實(shí)現(xiàn)這些功能提升。3.答案：選擇一種無機(jī)功能材料，例如：光催化劑（以二氧化鈦TiO2納米顆粒為例）。設(shè)計(jì)其功能化改性的方案：①設(shè)計(jì)思路：目標(biāo)是提高TiO2光催化劑在可見光區(qū)的響應(yīng)能力和光催化降解有機(jī)污染物（如染料）的效率。因此，功能化設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞增強(qiáng)可見光吸收和抑制光生電子-空穴對的復(fù)合這兩個(gè)核心問題展開。②選擇理由：TiO2具有無毒、穩(wěn)定、成本低廉、催化活性高等優(yōu)點(diǎn)，但其在紫外光區(qū)的吸收邊較窄（約330nm），且光生載流子易復(fù)合，限制了其應(yīng)用。通過功能化改性可以有效克服這些缺點(diǎn)。③改性方案：*可見光敏化：選擇合適的有機(jī)染料（如羅丹明B）或窄帶隙半導(dǎo)體（如CdS,Fe3O4）作為敏化劑，通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，將TiO2的導(dǎo)帶底電位降低，使其在可見光下也能產(chǎn)生氧化能力。例如，采用溶膠-凝膠法將敏化劑均勻負(fù)載在TiO2納米顆粒表面。*半導(dǎo)體復(fù)合：將TiO2與另一種半導(dǎo)體（如ZnO,Nb2O5）復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)。利用內(nèi)建電場促進(jìn)光生電子和空穴的分離，并可能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)對可見光的利用和催化活性。例如，通過水熱法合成立方相TiO2/ZnO復(fù)合納米棒。*貴金屬沉積：在TiO2表面沉積少量貴金屬（如Au,Pt），利用貴金屬的等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)可見光吸收，同時(shí)利用其優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性促進(jìn)光生電子的快速轉(zhuǎn)移，減少復(fù)合。例如，通過光沉積法制備TiO2/Au核殼納米結(jié)構(gòu)。*缺陷工程/摻雜：引入合適的金屬（如V,N）或非金屬（如S,C）離子進(jìn)入TiO2晶格，改變其能帶結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展可見光吸收范圍。例如，通過離子注入或溶膠-凝膠法合成V摻雜的TiO2。*表面改性（助催化劑）：在TiO2表面負(fù)載具有催化活性的助催化劑（如RuO2,NiO），可以直接活化吸附在表面的有機(jī)污染物，降低反應(yīng)活化能，提高催化降解速率。*形貌控制：制備具有特定形貌（如納米管、納米帶、空心結(jié)構(gòu)）的TiO2，以增加比表面積和光程，有利于光吸收和反應(yīng)物