2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——碳納米管在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用研究考試時(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種結(jié)構(gòu)是碳納米管的基本結(jié)構(gòu)單元？(A)碳原子六邊形環(huán)(B)碳原子五邊形環(huán)(C)碳原子七邊形環(huán)(D)石墨層狀結(jié)構(gòu)2.與傳統(tǒng)石墨相比，碳納米管的主要優(yōu)勢(shì)之一是其具有極高的：(A)熔點(diǎn)(B)電導(dǎo)率（在特定條件下）(C)密度(D)硬度（絕對(duì)值）3.電弧放電法是制備碳納米管的一種經(jīng)典方法，其主要產(chǎn)物通常包含：(A)單壁碳納米管和金屬催化劑顆粒(B)多壁碳納米管和石墨粉末(C)碳納米管和焦炭殘留物(D)純凈的單壁碳納米管4.在鋰離子電池中，將碳納米管用作負(fù)極材料的主要目的是：(A)提供大量的鋰離子存儲(chǔ)位點(diǎn)(B)增強(qiáng)材料的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(C)提高電極的電子導(dǎo)電性(D)降低鋰的嵌入電壓5.碳納米管作為電極材料的比表面積對(duì)其儲(chǔ)能性能（如電容）的影響主要體現(xiàn)在：(A)提供更多的離子交換位點(diǎn)(B)增大電極/電解液接觸面積(C)減少電荷傳輸距離(D)降低電極材料本身的理論容量6.在超級(jí)電容器中，碳納米管作為電極材料主要利用其特性：(A)可逆的Faradaic反應(yīng)(B)高速的離子擴(kuò)散能力(C)極高的比表面積和導(dǎo)電性(D)優(yōu)異的機(jī)械柔韌性7.對(duì)碳納米管進(jìn)行表面官能化處理的主要目的通常不包括：(A)提高其在水溶液中的分散性(B)增強(qiáng)其與電極基體的結(jié)合力(C)降低其本征電導(dǎo)率(D)調(diào)控其電化學(xué)窗口8.碳納米管在鋰離子電池中作為正極材料的應(yīng)用研究相對(duì)較少，主要挑戰(zhàn)在于：(A)成本過高(B)難以形成穩(wěn)定的SEI膜(C)本征理論容量較低(D)導(dǎo)電性不如石墨9.下列哪種方法不屬于碳納米管常用的表面改性手段？(A)化學(xué)氣相沉積(B)高溫?zé)崽幚?C)浸漬法(D)等離子體處理10.碳納米管復(fù)合材料的儲(chǔ)能性能通常優(yōu)于其單獨(dú)組分，這主要?dú)w因于：(A)碳納米管與基體材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)(B)形成了有效的協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)(C)碳納米管被基體材料完全包裹，失去作用(D)增加了材料的體積二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.碳納米管根據(jù)其壁數(shù)不同，可以分為______碳納米管和______碳納米管。2.碳納米管具有極高的比表面積，通?？蛇_(dá)______m2/g的數(shù)量級(jí)。3.碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性主要源于其碳原子sp2雜化軌道的______。4.在鋰離子電池中，碳納米管作為負(fù)極材料需要關(guān)注其循環(huán)過程中的______問題。5.為了提高碳納米管在電極材料中的分散性，常對(duì)其進(jìn)行______處理。6.碳納米管增強(qiáng)的鋰離子電池電極通常表現(xiàn)出更高的______性能和更長(zhǎng)的______壽命。7.影響碳納米管儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵因素包括其______、______以及表面狀態(tài)等。8.除了電化學(xué)儲(chǔ)能，碳納米管在______和______等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。9.碳納米管作為導(dǎo)電添加劑時(shí)，其長(zhǎng)徑比對(duì)其增強(qiáng)效果有顯著影響，長(zhǎng)徑比越大，______效果越明顯。10.當(dāng)前碳納米管儲(chǔ)能應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)之一是______的規(guī)模化、低成本制備。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題）1.簡(jiǎn)述碳納米管的高長(zhǎng)徑比對(duì)其在儲(chǔ)能電極材料中發(fā)揮作用有何重要意義。2.簡(jiǎn)要說明碳納米管作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，可能面臨的主要問題及其原因。3.解釋什么是碳納米管的功能化（或官能化），并列舉至少兩種功能化的方法及其目的。四、論述題（每小題10分，共20分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，圍繞下列主題進(jìn)行論述）1.論述碳納米管如何能夠改善鋰離子電池正極材料的電化學(xué)性能，并舉例說明。2.討論碳納米管在超級(jí)電容器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并分析其目前面臨的挑戰(zhàn)及可能的解決方案。---試卷答案一、選擇題1.(A)2.(B)3.(A)4.(C)5.(B)6.(C)7.(C)8.(C)9.(A)10.(B)二、填空題1.單壁，多壁2.百3.共軛4.鋰金屬枝晶5.表面6.倍率，循環(huán)7.結(jié)構(gòu)（如直徑、壁數(shù)、長(zhǎng)度），缺陷8.太陽(yáng)能電池，燃料電池9.導(dǎo)電增強(qiáng)10.可規(guī)?；⒌统杀救?、簡(jiǎn)答題1.解析思路：強(qiáng)調(diào)高長(zhǎng)徑比帶來的大比表面積和短電子/離子傳輸路徑。大比表面積提供更多活性位點(diǎn)，短路徑降低電阻，兩者共同提升儲(chǔ)能器件的容量和倍率性能。2.解析思路：指出主要問題是循環(huán)過程中的鋰金屬枝晶生長(zhǎng)（鋰析出），歸因于碳納米管自身理論容量低、表面不規(guī)則可能誘導(dǎo)鋰沉積、以及與電解液界面穩(wěn)定性問題等。3.解析思路：定義功能化即通過化學(xué)方法在碳納米管表面引入官能團(tuán)。列舉方法如氧化、酸刻蝕、氨基硅烷偶聯(lián)劑處理等。目的在于改善分散性（疏水性變親水性）、調(diào)節(jié)電化學(xué)活性、增強(qiáng)與基體的相互作用等。四、論述題1.解析思路：*說明碳納米管作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)：降低正極材料顆粒內(nèi)部及顆粒間的電阻，加速電子傳輸，提高倍率性能；同時(shí)，其高導(dǎo)電性有助于均勻分布電流，減少局部過電位，抑制副反應(yīng)。*說明碳納米管作為結(jié)構(gòu)支撐：其高強(qiáng)度和高模量可以緩沖充放電過程中正極材料發(fā)生的體積膨脹/收縮，維持結(jié)構(gòu)完整性，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。*說明協(xié)同效應(yīng)：碳納米管與活性物質(zhì)復(fù)合，可能形成核殼結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)，優(yōu)化電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，甚至參與電化學(xué)反應(yīng)（如作為電子導(dǎo)體傳遞電子，而非僅僅作基底）。*舉例：如碳納米管/鈷酸鋰（LiCoO2）復(fù)合正極，碳納米管/磷酸鐵鋰（LiFePO4）復(fù)合正極，均表現(xiàn)出優(yōu)于純活性物質(zhì)的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。2.解析思路：*優(yōu)勢(shì)分析：*極高比表面積：提供大量電荷存儲(chǔ)位點(diǎn)，對(duì)于雙電層電容器（EDLC）意味著高比電容；對(duì)于贗電容器（Pseudocapacitor）則提供更多活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高比電容。*優(yōu)異導(dǎo)電性：極大降低了器件的內(nèi)阻（ESR），使得超級(jí)電容器具有高功率密度、快速充放電能力（高倍率性能）。*良好的機(jī)械性能：碳納米管本身及形成的復(fù)合材料通常具有柔韌性和高強(qiáng)度，有利于制備輕量化、可彎曲的超級(jí)電容器器件。*挑戰(zhàn)分析：*分散性難題：碳納米管易團(tuán)聚，影響其在電極材料中的分散和與電解液的接觸，導(dǎo)致電化學(xué)活性無法充分發(fā)揮，甚至短路。*本征電容有限：作為純碳材料，其雙電層電容貢獻(xiàn)有限，若用作贗電容活性物質(zhì)，需負(fù)載金屬氧化物等，制備復(fù)雜且成本高。*穩(wěn)定性問題：在電化學(xué)循環(huán)過程中，碳納米管結(jié)構(gòu)或其復(fù)合材料可能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌、氧化等，影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性。*解決方案探討：*分散：采用表面