2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——應(yīng)用化學(xué)在功能性材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題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.在設(shè)計(jì)具有高效光催化活性的半導(dǎo)體材料時(shí)，選擇合適的能帶結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。以下哪種能帶結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為最適合用于可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化反應(yīng)？（）A.寬禁帶半導(dǎo)體（如Si），易于吸收紫外光B.窄禁帶半導(dǎo)體（如Pt），具有高催化活性C.具有合適禁帶寬度（如2.0-3.0eV）且能帶位置合適的半導(dǎo)體D.超導(dǎo)材料，電阻為零2.溶膠-凝膠法是一種常用的制備氧化物功能材料的方法，其核心步驟通常不包括？（）A.原料溶液的制備B.硅烷醇縮合反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)C.高溫固相反應(yīng)形成晶相D.熱解或水解去除溶劑和小分子3.對(duì)于設(shè)計(jì)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的材料，以下哪項(xiàng)性質(zhì)通常不是首要考慮的因素？（）A.生物相容性B.化學(xué)穩(wěn)定性C.材料的導(dǎo)電性（對(duì)于某些應(yīng)用）D.材料的價(jià)格（在滿(mǎn)足基本性能的前提下）4.在設(shè)計(jì)高效催化劑時(shí)，除了活性外，通常還需要考慮哪些關(guān)鍵因素？（）A.選擇性B.穩(wěn)定性C.重復(fù)使用性D.以上所有5.歐米加（ω）-聚電解質(zhì)在水溶液中表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，如體積相變。這主要是由于其分子內(nèi)大量重復(fù)單元的什么性質(zhì)所致？（）A.強(qiáng)烈的酸堿性B.立體障礙效應(yīng)C.靜電相互作用D.可逆的化學(xué)鍵合6.設(shè)計(jì)具有特定光學(xué)性能（如高折射率、低反射率）的功能材料時(shí)，常利用薄膜技術(shù)。以下哪種方法不屬于常見(jiàn)的薄膜制備技術(shù)？（）A.濺射沉積B.溶膠-凝膠旋涂C.噴霧熱解D.熔融澆鑄7.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料因其可設(shè)計(jì)性和孔道結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。其基本構(gòu)建單元通常是什么？（）A.金屬離子或簇B.有機(jī)配體C.A和B的組合D.碳納米管8.在設(shè)計(jì)用于能量存儲(chǔ)（如電池）的功能材料時(shí)，材料的電化學(xué)窗口寬度是一個(gè)重要參數(shù)。電化學(xué)窗口寬度主要取決于？（）A.材料的熔點(diǎn)B.材料的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)C.材料在酸堿環(huán)境中的穩(wěn)定性D.材料能穩(wěn)定參與氧化還原反應(yīng)的最高電位和最低電位之差9.自組裝技術(shù)在功能材料設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。以下哪項(xiàng)描述是自組裝過(guò)程的典型特征？（）A.需要外部持續(xù)輸入能量B.通常產(chǎn)生高度有序的納米結(jié)構(gòu)C.依賴(lài)于復(fù)雜的化學(xué)合成步驟D.只能形成簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)10.應(yīng)用化學(xué)家在將一種新型功能材料從實(shí)驗(yàn)室研究推向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，通常需要進(jìn)行哪些評(píng)估？（）A.穩(wěn)定性、壽命、成本效益B.量子產(chǎn)率、比表面積、密度C.分子量、溶解度、熔點(diǎn)D.磁化率、折射率、導(dǎo)電率二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題橫線(xiàn)上）1.設(shè)計(jì)用于氣體傳感器的材料時(shí)，需要關(guān)注其與目標(biāo)氣體分子的__________以及產(chǎn)生的可檢測(cè)的信號(hào)類(lèi)型（如電阻變化、光譜變化等）。2.在設(shè)計(jì)具有特定磁性的材料時(shí)，可以通過(guò)調(diào)控材料的__________（如成分、結(jié)構(gòu)、尺寸）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的精確控制。3.功能性材料的性能不僅取決于其化學(xué)組成，還與其__________（如晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、形貌）密切相關(guān)。4.液晶材料因其獨(dú)特的__________特性，在顯示器、傳感器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。5.設(shè)計(jì)生物醫(yī)用植入材料時(shí)，除了良好的生物相容性，還需要考慮其__________（如與周?chē)M織的結(jié)合能力）和__________（如避免引起免疫排斥）。6.催化材料的設(shè)計(jì)往往需要利用原位表征技術(shù)研究催化劑在反應(yīng)條件下的__________和結(jié)構(gòu)演變。7.利用金屬離子與特定有機(jī)配體配位自組裝可以形成具有周期性孔道結(jié)構(gòu)的__________材料。8.在設(shè)計(jì)用于太陽(yáng)能電池的光敏材料時(shí)，需要考慮其對(duì)特定波長(zhǎng)太陽(yáng)光的__________以及光生電荷的分離效率。9.智能材料是指能夠感知外界環(huán)境刺激（如溫度、光、pH等）并作出相應(yīng)__________的材料。10.應(yīng)用化學(xué)在功能材料的設(shè)計(jì)中，不僅包括新材料的合成，也包括對(duì)現(xiàn)有材料的__________和性能提升。三、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分。請(qǐng)給出每個(gè)名詞的簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義）1.功能性材料2.構(gòu)效關(guān)系3.表面改性4.自組裝5.能帶工程四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)具有高比表面積材料（如催化劑）的常用化學(xué)方法及其原理。2.解釋為什么在半導(dǎo)體光催化劑的設(shè)計(jì)中，除了提高量子產(chǎn)率外，還常常需要調(diào)控其能帶位置？3.簡(jiǎn)述溶膠-凝膠法作為一種材料合成方法，相比傳統(tǒng)固相法的主要優(yōu)點(diǎn)。4.設(shè)計(jì)用于生物相容性植入體的材料時(shí)，需要滿(mǎn)足哪些關(guān)鍵性能要求？五、綜合題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，分析和回答下列問(wèn)題）1.以設(shè)計(jì)一種用于可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的環(huán)保型有機(jī)污染物降解催化劑為例，闡述應(yīng)用化學(xué)原理在材料設(shè)計(jì)中的具體體現(xiàn)（如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成路線(xiàn)選擇、性能調(diào)控等）。2.闡述應(yīng)用化學(xué)中表面化學(xué)原理如何在功能性材料（如催化劑、傳感器、涂層）的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化中發(fā)揮作用。3.選擇一種你感興趣的功能性材料類(lèi)別（如導(dǎo)電聚合物、形狀記憶合金、納米藥物載體等），簡(jiǎn)述其基本特性、主要應(yīng)用領(lǐng)域以及當(dāng)前設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中面臨的主要挑戰(zhàn)（結(jié)合應(yīng)用化學(xué)的知識(shí)）。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.D5.B6.D7.C8.D9.B10.A二、填空題1.相互作用2.化學(xué)成分3.微觀結(jié)構(gòu)4.光學(xué)5.骨整合；生物相容性6.表面性質(zhì)7.金屬有機(jī)框架(MOFs)8.吸收光譜9.響應(yīng)10.化學(xué)改性三、名詞解釋1.功能性材料：指那些因其獨(dú)特的物理、化學(xué)或生物性能，而在特定應(yīng)用領(lǐng)域具有專(zhuān)門(mén)用途的材料。2.構(gòu)效關(guān)系：指材料的微觀結(jié)構(gòu)（如化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、分子排列、形貌等）與其宏觀性能之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系。3.表面改性：指通過(guò)物理或化學(xué)方法改變材料表面的組成、結(jié)構(gòu)或性能，以獲得所需特定功能的技術(shù)。4.自組裝：指在驅(qū)動(dòng)力（如疏水作用、靜電作用、范德華力等）作用下，分子、離子或納米顆粒等基本單元無(wú)需外部精確操控，自發(fā)地聚集形成有序或無(wú)序結(jié)構(gòu)的物理或化學(xué)過(guò)程。5.能帶工程：指通過(guò)改變半導(dǎo)體的化學(xué)組成、摻雜、外部電場(chǎng)或應(yīng)力等手段，調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)（如禁帶寬度、能帶位置），以獲得所需光電特性的技術(shù)。四、簡(jiǎn)答題1.答案：常用方法包括：①利用氣體吸附法（如BET法）測(cè)量比表面積，因此可設(shè)計(jì)具有高孔隙率結(jié)構(gòu)（如多孔材料、介孔材料）的材料；②采用模板法（如使用納米孔模板、生物模板），在模板孔道內(nèi)生長(zhǎng)或沉積材料，獲得高比表面積；③采用液相化學(xué)沉積法，在基底上形成納米晶核或超薄納米層；④利用溶膠-凝膠法等前驅(qū)體法，控制反應(yīng)條件獲得高比表面積、高分散性的凝膠或薄膜。解析思路：高比表面積是許多功能（如催化、吸附）的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)思路圍繞如何增加材料的有效表面積展開(kāi)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（多孔、納米結(jié)構(gòu)）或制備工藝（模板法、沉積法、前驅(qū)體法）實(shí)現(xiàn)。2.答案：半導(dǎo)體光催化劑的效能取決于其能否有效吸收目標(biāo)波長(zhǎng)（通常是可見(jiàn)光）的光子并產(chǎn)生足夠能量的光生電子-空穴對(duì)。光生載流子的復(fù)合速率很快，如果不能被有效分離并遷移到材料表面參與反應(yīng)，則催化劑的量子產(chǎn)率和實(shí)際催化效率會(huì)很低。能帶位置決定了光生載流子的能量，進(jìn)而影響其參與氧化還原反應(yīng)的能力。通過(guò)能帶工程（如元素?fù)诫s、半導(dǎo)體復(fù)合、表面修飾等），可以調(diào)節(jié)價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的位置，使光生載流子的能量與目標(biāo)反應(yīng)的能級(jí)匹配，并形成內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)電子-空穴對(duì)的有效分離和遷移，從而提高光催化活性。解析思路：光催化核心是光生載流子的產(chǎn)生與利用，而載流子的產(chǎn)生依賴(lài)于光吸收，載流子的利用依賴(lài)于其能量和分離遷移能力。能帶結(jié)構(gòu)直接決定了光生載流子的能量和分離機(jī)制，因此調(diào)控能帶是提高光催化效率的關(guān)鍵策略。3.答案：主要優(yōu)點(diǎn)包括：①合成溫度相對(duì)較低，可在較低能耗下進(jìn)行；②前驅(qū)體通常為液態(tài)，易于混合均勻，可以獲得成分均勻、雜質(zhì)含量低的材料；③可以方便地在液相中引入多種功能基團(tuán)或摻雜劑，實(shí)現(xiàn)材料的分子設(shè)計(jì)；④易于制備薄膜、纖維、多孔材料等特殊形貌；⑤反應(yīng)過(guò)程易于控制，可制備納米尺度材料。解析思路：溶膠-凝膠法相比高溫固相法，其突出優(yōu)勢(shì)在于低溫、均勻混合、易于功能化、易于制備特殊形貌以及產(chǎn)物純度高等，這些源于其液相反應(yīng)和凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的特性。4.答案：關(guān)鍵性能要求包括：①良好的生物相容性：材料在體內(nèi)不引起明顯的炎癥反應(yīng)、免疫排斥或毒性作用；②合適的力學(xué)性能：能夠承受生理環(huán)境下的應(yīng)力，對(duì)于植入物尤其重要；③穩(wěn)定的化學(xué)性能：在生理環(huán)境中（如體液、酶、溫度變化）保持化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不降解、不溶出有害物質(zhì)；④生物惰性或生物活性：根據(jù)應(yīng)用需求，可能需要惰性（如血液接觸部分）或具有特定生物功能（如骨整合、藥物緩釋?zhuān)虎輧?yōu)異的表面特性：如表面光滑、親水性或疏水性調(diào)控、表面修飾以促進(jìn)組織結(jié)合或抗菌等。解析思路：生物醫(yī)用材料直接與人體接觸，其安全性、穩(wěn)定性和功能性至關(guān)重要。分析需要圍繞“對(duì)人體的友好性”和“滿(mǎn)足特定植入需求”這兩個(gè)核心展開(kāi)，列出關(guān)鍵的性能指標(biāo)。五、綜合題1.答案：設(shè)計(jì)可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)環(huán)保型有機(jī)污染物降解催化劑，需運(yùn)用應(yīng)用化學(xué)原理：首先，根據(jù)污染物性質(zhì)和可見(jiàn)光光譜，選擇合適的半導(dǎo)體材料（如TiO2、CdS、g-C3N4等），這涉及對(duì)材料光吸收性能（吸收光譜）和能帶結(jié)構(gòu)（能帶工程）的考量；其次，通過(guò)元素?fù)诫s（如N摻雜TiO2）、貴金屬沉積（如Pt負(fù)載TiO2）或半導(dǎo)體復(fù)合（如CdS/TiO2異質(zhì)結(jié)）等化學(xué)改性方法，拓寬材料的光譜響應(yīng)范圍至可見(jiàn)光區(qū)，并優(yōu)化能帶位置，提高光生載流子的分離效率；再次，采用水熱法、溶膠-凝膠法、光沉積法等化學(xué)合成方法制備具有高比表面積、高分散性或特定形貌（如納米棒、納米片）的催化劑，以增加反應(yīng)接觸機(jī)會(huì)；最后，通過(guò)表面化學(xué)修飾（如接枝親水性基團(tuán)）改善其與水或有機(jī)污染物的相互作用，并利用原位表征技術(shù)（如XPS、DRIFTS）研究催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化，評(píng)估其穩(wěn)定性和催化活性，最終實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、環(huán)保的有機(jī)污染物降解。解析思路：從目標(biāo)出發(fā)（可見(jiàn)光、環(huán)保、降解有機(jī)物），聯(lián)想到所需催化劑的功能（光吸收、產(chǎn)生并分離載流子、催化活性位點(diǎn)），再結(jié)合應(yīng)用化學(xué)的知識(shí)（材料選擇依據(jù)、改性方法、合成技術(shù)、表面化學(xué)、表征技術(shù)），將各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，闡述如何利用化學(xué)原理一步步設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的催化劑。2.答案：應(yīng)用化學(xué)中的表面化學(xué)原理在功能性材料的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化中至關(guān)重要。首先，材料的許多功能（如催化活性、傳感性能、腐蝕行為、潤(rùn)濕性、生物相容性）都發(fā)生在表面或界面。表面化學(xué)原理幫助我們理解表面原子/分子的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，以及表面與周?chē)h(huán)境（氣體、液體、生物體）的相互作用機(jī)制。其次，通過(guò)表面改性技術(shù)（如化學(xué)吸附、表面接枝、等離子體處理、溶膠-凝膠涂覆、離子注入等），可以精確調(diào)控材料的表面組成、化學(xué)狀態(tài)、幾何形貌和粗糙度等，從而在宏觀上改變材料的性能。例如，通過(guò)表面官能團(tuán)化可以調(diào)節(jié)材料的親疏水性、生物活性；通過(guò)表面沉積納米層可以增強(qiáng)耐磨性、抗氧化性或賦予導(dǎo)電性；通過(guò)控制表面缺陷可以調(diào)節(jié)催化活性位點(diǎn)數(shù)量和種類(lèi)。此外，表面化學(xué)原理也指導(dǎo)著表面分析技術(shù)的發(fā)展，如XPS、AES、SAM等，這些技術(shù)是表征材料表面元素組成、化學(xué)態(tài)、吸附物種和表面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工具，為功能材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。解析思路：強(qiáng)調(diào)表面在材料功能中的作用，指出表面化學(xué)是理解和調(diào)控表面性質(zhì)的理論基礎(chǔ)，列舉常見(jiàn)的表面改性方法及其功能，說(shuō)明表面分析技術(shù)的重要性，將表面化學(xué)理論與材料功能設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化聯(lián)系起來(lái)。3.答案：（以導(dǎo)電聚合物為例）*基本特性：導(dǎo)電聚合物是一類(lèi)主鏈中含有共軛π電子體系的聚合物，其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，可通過(guò)摻雜（化學(xué)或電化學(xué)）顯著提高。其特性包括：可加工性（通常像塑料一樣處理）、電導(dǎo)率可調(diào)范圍寬、易于功能化（引入不同側(cè)基）、可形成薄膜、纖維、凝膠等多種形態(tài)。*主要應(yīng)用領(lǐng)域：由于其獨(dú)特的性能，導(dǎo)電聚合物被廣泛應(yīng)用于傳感器（氣體、生物、化學(xué)傳感器）、電磁屏蔽、抗靜電材料、有機(jī)電子器件（如有機(jī)發(fā)光二極管OLED、有機(jī)太陽(yáng)能電池OSC、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管OFET）、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如生物傳感器、藥物輸送載體、組織工程支架）、催化、防腐蝕涂層等。*設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)：盡管應(yīng)用前景廣闊，但導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)：①提高電導(dǎo)率并使其穩(wěn)定：實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率的同