2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——催化劑設(shè)計(jì)與活性中心解析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪種物質(zhì)通常被認(rèn)為是均相催化劑？（）A.固體酸B.接觸催化劑C.氧化鉻（Fe?O?）D.堿性氨氣2.在d-帶模型中，催化劑表面金屬d帶的中心位置與費(fèi)米能級(jí)接近時(shí)，通常有利于哪種類型的反應(yīng)？（）A.氧化反應(yīng)B.還原反應(yīng)C.酸堿催化反應(yīng)D.加氫反應(yīng)3.催化劑的哪個(gè)特性是指催化劑在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變？（）A.選擇性B.催化活性C.可逆性D.穩(wěn)定性4.下列哪種方法不屬于通過改變催化劑電子結(jié)構(gòu)來提高其催化活性的手段？（）A.加入助劑B.改變金屬粒徑C.使用不同載體D.對(duì)金屬進(jìn)行表面修飾5.對(duì)于多相催化反應(yīng)，反應(yīng)物必須首先吸附在哪個(gè)部位才能發(fā)生催化轉(zhuǎn)化？（）A.溶劑分子B.載體表面C.空氣分子D.催化劑顆粒內(nèi)部6.下列哪種現(xiàn)象是由于活性位點(diǎn)空間位阻過大導(dǎo)致的？（）A.催化劑積碳B.催化活性隨溫度升高先升高后降低C.不同反應(yīng)具有相同的選擇性D.催化劑的壽命縮短7.分子篩催化劑之所以具有優(yōu)異的擇形催化性能，主要得益于其具有怎樣的結(jié)構(gòu)特征？（）A.高比表面積B.多孔結(jié)構(gòu)C.特定的孔徑尺寸和形狀D.金屬活性組分8.在費(fèi)托合成反應(yīng)中，為了提高支鏈烷烴的選擇性，通常會(huì)在催化劑中加入哪種類型的助劑？（）A.酸性助劑B.堿性助劑C.還原性助劑D.氧化性助劑9.原位表征技術(shù)主要用于研究什么的動(dòng)態(tài)變化過程？（）A.催化劑載體的性質(zhì)B.催化劑活性組分的電子結(jié)構(gòu)C.反應(yīng)中間體的吸附與脫附D.催化劑的宏觀形貌10.下列哪項(xiàng)不是納米催化劑相較于宏觀塊狀催化劑可能表現(xiàn)出的獨(dú)特性質(zhì)？（）A.更高的比表面積B.更強(qiáng)的催化活性C.更好的熱穩(wěn)定性D.更小的尺寸效應(yīng)二、填空題（每空2分，共20分）1.催化劑能夠改變反應(yīng)的______，但不能改變反應(yīng)的______。2.d-帶模型認(rèn)為，反應(yīng)物與催化劑活性位點(diǎn)之間的相互作用主要影響活性位點(diǎn)d帶的______和______。3.載體在多相催化劑中的作用包括提供______、分散活性組分和改變活性組分的______。4.吸附理論認(rèn)為，反應(yīng)物在催化劑表面的吸附強(qiáng)弱通常由吸附熱和______來衡量。5.形貌控制是催化劑設(shè)計(jì)的重要策略之一，不同的______可以導(dǎo)致催化劑性能的顯著差異。6.在資源化學(xué)領(lǐng)域，催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)是提高對(duì)______轉(zhuǎn)化過程的選擇性。7.催化劑的穩(wěn)定性包括______穩(wěn)定性和______穩(wěn)定性。8.分子篩催化劑的擇形催化效應(yīng)主要源于其具有______的孔道結(jié)構(gòu)。9.常用的催化劑表征技術(shù)包括______、X射線衍射（XRD）、程序升溫還原（TPR）等。10.基于密度泛函理論（DFT）的催化劑設(shè)計(jì)方法，可以用來預(yù)測______、吸附能和反應(yīng)路徑。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.催化活性2.活性位點(diǎn)3.助劑4.擇形催化5.d-帶中心四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述影響多相催化劑催化活性的主要因素。2.解釋什么是金屬納米粒子尺寸效應(yīng)，并簡述其對(duì)催化活性的影響。3.為什么載體的酸性或堿性對(duì)負(fù)載型催化劑的性能有重要影響？4.簡述吸附理論在解釋催化反應(yīng)機(jī)理中的作用。五、論述題（每題10分，共20分）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述如何通過組分設(shè)計(jì)來提高催化劑的催化性能。2.論述活性中心幾何構(gòu)型對(duì)催化反應(yīng)選擇性的影響，并說明其原因。六、綜合應(yīng)用題（共15分）以CO?電催化還原制甲烷為例，簡述設(shè)計(jì)高效催化劑需要考慮的關(guān)鍵因素，并說明如何利用理論計(jì)算模擬來指導(dǎo)催化劑的設(shè)計(jì)。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.D4.B5.B6.A7.C8.B9.C10.C二、填空題1.速率；熱力學(xué)2.位置；寬度3.活性相；電子性質(zhì)4.吸附焓5.形貌6.資源7.結(jié)構(gòu)；化學(xué)8.均一孔徑和尺寸9.透射電子顯微鏡（TEM）/掃描電子顯微鏡（SEM）10.活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)三、名詞解釋1.催化活性：指催化劑在單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積或單位量催化劑上加速化學(xué)反應(yīng)的程度。2.活性位點(diǎn)：催化劑表面能夠吸附反應(yīng)物、發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化并釋放產(chǎn)物的特定原子、原子團(tuán)或晶格缺陷。3.助劑：添加到催化劑中，旨在改善催化劑的特定性能（如活性、選擇性、穩(wěn)定性、壽命等）的非活性組分。4.擇形催化：指催化劑能夠選擇性地催化具有特定尺寸、形狀或結(jié)構(gòu)的小分子，而對(duì)其他分子或大分子則不催化或催化活性很低的催化現(xiàn)象。5.d-帶中心：指催化劑表面金屬原子d軌道的能級(jí)位置接近費(fèi)米能級(jí)，使得金屬d帶與反應(yīng)物反鍵軌道或成鍵軌道發(fā)生重疊，從而影響吸附和催化反應(yīng)。四、簡答題1.影響多相催化劑催化活性的主要因素包括：活性組分的種類和電子結(jié)構(gòu)、活性位點(diǎn)的數(shù)量和密度、活性位點(diǎn)的分散度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)物和產(chǎn)物的吸附強(qiáng)度、載體的性質(zhì)等。2.金屬納米粒子尺寸效應(yīng)是指隨著金屬納米粒子尺寸的減小，其催化活性發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。尺寸減小通常導(dǎo)致比表面積增大，活性位點(diǎn)數(shù)量增加，且量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)變得顯著，這些都可能影響反應(yīng)物吸附、反應(yīng)路徑和能量勢壘，從而改變催化活性。3.載體的酸性或堿性對(duì)負(fù)載型催化劑性能有重要影響，因?yàn)檩d體表面可以吸附酸性或堿性位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可以參與催化反應(yīng)（如提供質(zhì)子或電子），影響反應(yīng)中間體的生成和轉(zhuǎn)化，從而改變催化劑的總活性、選擇性和穩(wěn)定性。例如，酸性載體上的質(zhì)子可以促進(jìn)某些加氫或脫氫反應(yīng)。4.吸附理論在解釋催化反應(yīng)機(jī)理中的作用是：通過分析反應(yīng)物、產(chǎn)物和中間體在催化劑表面的吸附行為（吸附熱、吸附強(qiáng)度、吸附物種），可以推斷出反應(yīng)可能發(fā)生的路徑，解釋催化活性和選擇性的來源。例如，如果反應(yīng)物吸附很強(qiáng)，可能有利于反應(yīng)進(jìn)行；如果特定中間體吸附最穩(wěn)定，則可能決定了最終產(chǎn)物的選擇性。五、論述題1.通過組分設(shè)計(jì)提高催化劑性能的方法包括：①合金化：將兩種或多種金屬組分混合形成合金，利用組分間的相互作用（如晶格畸變、電子效應(yīng)）來調(diào)節(jié)活性位點(diǎn)的電子性質(zhì)，從而提高活性或選擇性。例如，Ni-Fe合金在費(fèi)托合成中比純Ni具有更好的CO?轉(zhuǎn)化和長鏈烷烴選擇性。②核殼結(jié)構(gòu)：將活性金屬核分散在惰性或載體的殼層中，可以防止金屬團(tuán)聚，提高分散度和穩(wěn)定性，同時(shí)殼層可以提供特定的電子環(huán)境或選擇性表面。③非金屬摻雜：在金屬催化劑或載體中摻雜非金屬元素（如N、P、S、B等），可以引入雜原子軌道，改變活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)某些反應(yīng)物的吸附或活化能力，或引入酸性/堿性位點(diǎn)。例如，N摻雜碳材料可以作為高效的電催化劑。2.活性中心幾何構(gòu)型對(duì)催化反應(yīng)選擇性的影響體現(xiàn)在：①位阻效應(yīng)：反應(yīng)物分子或中間體在進(jìn)入或離開活性位點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)受到幾何構(gòu)型的阻礙。例如，較小的孔道或活性位點(diǎn)可能導(dǎo)致只有特定大小的分子或構(gòu)型的中間體能夠穩(wěn)定存在，從而選擇性地生成某些產(chǎn)物。②配位環(huán)境：活性中心的幾何構(gòu)型決定了反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物的配位模式。不同的配位環(huán)境對(duì)反應(yīng)物的活化方式、反應(yīng)路徑和中間體的穩(wěn)定性有不同影響，最終導(dǎo)致不同的產(chǎn)物分布。例如，不同配位的金屬位點(diǎn)對(duì)加氫反應(yīng)中的氫解或加氫選擇性有顯著影響。③電子效應(yīng)：幾何構(gòu)型（如孤電子對(duì)、空軌道）直接影響活性中心的電子性質(zhì)，從而影響對(duì)反應(yīng)物吸附的選擇性和反應(yīng)的活化能。因此，通過精確控制活性中心的幾何構(gòu)型（如尺寸、形狀、配位數(shù)目），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)催化反應(yīng)選擇性的有效調(diào)控。六、綜合應(yīng)用題設(shè)計(jì)CO?電催化還原制甲烷的高效催化劑需要考慮的關(guān)鍵因素包括：①活性：催化劑需要具有足夠的本征活性，即較低的CO?活化能和甲烷生成能壘。②選擇性：催化劑應(yīng)優(yōu)先選擇生成甲烷（CH?），抑制其他副產(chǎn)物如碳酸根（CO?2?）、甲酸鹽（HCOO?）或乙烯（C?H?）的生成。③穩(wěn)定性：催化劑需要在長時(shí)間運(yùn)行和高電流密度下保持結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的穩(wěn)定性，抗腐蝕和抗積碳能力也要強(qiáng)。④成本效益：催化劑材料應(yīng)具有較低的成本和易于制備。利用理論計(jì)算模擬指導(dǎo)催化劑設(shè)計(jì)的方法包括：①篩選活性位點(diǎn)：通過計(jì)算不同表面原子（如Cu,Ni,Fe,Co,Mo,W等）或合金化組合的CO?活化能和甲烷生成能壘，預(yù)測哪些原子或結(jié)構(gòu)可能具有