2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——基于半導(dǎo)體的光催化技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.半導(dǎo)體光催化反應(yīng)中，光生電子和空穴的復(fù)合是主要不利過程，以下哪種方法不能有效抑制復(fù)合？（）A.形成異質(zhì)結(jié)B.摻雜合適的非金屬元素C.負載助催化劑D.增大半導(dǎo)體的禁帶寬度2.對于可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體光催化劑，主要需要解決的問題是？（）A.提高光生空穴的分離效率B.增加半導(dǎo)體的比表面積C.縮小半導(dǎo)體的禁帶寬度D.提高材料的化學(xué)穩(wěn)定性3.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析？（）A.材料的晶體結(jié)構(gòu)B.材料的表面元素組成和化學(xué)態(tài)C.材料的透光光譜D.材料的微觀形貌4.在光催化降解有機污染物的研究中，常用的評價指標(biāo)不包括？（）A.污染物去除率B.復(fù)原系數(shù)C.光催化量子效率D.催化劑的比表面積5.下列哪種材料通常被認為是一種n型半導(dǎo)體光催化劑？（）A.TiO?B.CdSC.g-C?N?D.Fe?O?6.光催化水分解制氫過程中，光生電子通常用于？（）A.還原氧氣B.還原水分子生成氫氣C.與空穴復(fù)合D.沉積貴金屬助催化劑7.金屬沉積在半導(dǎo)體表面，其主要作用通常不包括？（）A.提高半導(dǎo)體的光催化活性B.改變半導(dǎo)體的能帶位置C.增加半導(dǎo)體的禁帶寬度D.延長光生載流子的壽命8.溶膠-凝膠法是一種常用的半導(dǎo)體材料制備方法，其突出優(yōu)點是？（）A.可制備塊體材料B.溫度要求較低，工藝簡單C.只能制備多晶材料D.成本特別低廉9.在設(shè)計用于光催化還原CO?的體系時，選擇半導(dǎo)體材料的主要依據(jù)是？（）A.半導(dǎo)體的價格低廉B.半導(dǎo)體的禁帶寬度適中C.半導(dǎo)體的顏色美觀D.半導(dǎo)體的機械強度高10.下列哪種現(xiàn)象不屬于表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)？（）A.金屬納米顆粒的散射光譜出現(xiàn)吸收峰B.金屬納米顆粒的透射光譜出現(xiàn)吸收峰C.金屬納米顆粒周圍的電場增強D.金屬納米顆粒的表面發(fā)生氧化二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)由滿帶、禁帶和______帶組成。2.光催化反應(yīng)通常需要半導(dǎo)體具備______、______和______三個基本條件。3.提高光催化量子效率的主要途徑是提高光生載流子的______和______。4.在光催化材料中，異質(zhì)結(jié)的形成可以有效地______光生電子-空穴對。5.光致發(fā)光光譜（PL）主要用于研究半導(dǎo)體的______。6.水熱法是一種在______和______條件下進行化學(xué)反應(yīng)制備材料的方法。7.光催化氧化反應(yīng)通常涉及活性物種如______和______。8.負載助催化劑可以提高光催化反應(yīng)的______和______。9.光催化技術(shù)在水污染治理方面的主要優(yōu)勢是______和______。10.鈣鈦礦太陽能電池雖然效率高，但其穩(wěn)定性問題限制了其大規(guī)模應(yīng)用，主要表現(xiàn)為______和______。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述光催化反應(yīng)的基本機理。2.簡述摻雜對半導(dǎo)體光催化性能的影響。3.簡述在光催化實驗中，如何評價光催化材料的活性？4.簡述光催化技術(shù)在資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。四、論述題（每小題10分，共20分。）1.論述半導(dǎo)體復(fù)合（構(gòu)建異質(zhì)結(jié)）提高光催化性能的機理。2.論述提高光催化材料穩(wěn)定性的主要策略及其原理。五、計算題（每小題10分，共20分。）1.某光催化劑的禁帶寬度為3.0eV。根據(jù)能量守恒，該光催化劑理論上可以吸收波長大于多少納米的光子？(普朗克常數(shù)h=6.626×10?3?J·s，光速c=3.0×10?m/s)2.在光催化降解某有機污染物實驗中，初始濃度為C?，反應(yīng)120分鐘后，污染物濃度下降到C?。若該反應(yīng)符合一級動力學(xué)，計算該光催化劑對該污染物的降解速率常數(shù)k。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.D5.A6.B7.C8.B9.B10.D二、填空題1.導(dǎo)2.光照、催化劑、氧化還原反應(yīng)體系3.分離效率、遷移率4.分離5.能量轉(zhuǎn)移效率（或載流子壽命）6.高溫、高壓7.·OH、O???8.選擇性、速率9.無毒、環(huán)境友好（或條件溫和、可利用太陽能）10.穩(wěn)定性、壽命三、簡答題1.光催化反應(yīng)基本機理：半導(dǎo)體吸收光能產(chǎn)生光生電子(e?)和空穴(h?)。這些載流子在半導(dǎo)體的內(nèi)電場作用下分離并向材料表面遷移。在材料表面，光生電子可以還原吸附在表面的氧化態(tài)物質(zhì)（如O?、H?O），生成還原性活性物種（如O???、H?）；光生空穴可以氧化吸附在表面的還原態(tài)物質(zhì)（如H?O、CH?COOH），生成氧化性活性物種（如H?、·OH）。這些活性物種進而參與化學(xué)反應(yīng)，最終實現(xiàn)有機污染物的降解、水的分解、CO?的還原等目標(biāo)。整個過程需要光照和催化劑的存在。2.摻雜對半導(dǎo)體光催化性能的影響：摻雜是指將少量雜質(zhì)原子引入半導(dǎo)體晶格中。摻雜可以改變半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，從而影響其光催化性能。n型摻雜劑（如V、Cr、Fe等）提供額外電子，使導(dǎo)帶底降低或價帶頂升高，禁帶寬度變窄，有助于吸收可見光；p型摻雜劑（如Mg、Zn、Al等）接受電子，使導(dǎo)帶底升高或價帶頂降低，禁帶寬度變窄，也有助于可見光吸收。合適的摻雜可以提高半導(dǎo)體的光吸收范圍，調(diào)節(jié)能帶位置以利于光生載流子的分離，甚至引入缺陷態(tài)作為活性位點或加速載流子傳輸，從而提高光催化活性。3.評價光催化材料活性的方法：評價光催化材料活性通常在特定條件下進行，常用方法包括：①污染物降解率：在固定光照條件、催化劑用量、初始濃度下反應(yīng)一定時間后，測定溶液中污染物的剩余濃度，計算降解率。這是最常用的評價方法。②產(chǎn)氫速率或產(chǎn)氧速率：對于光催化制氫或光催化降解水等反應(yīng)，可以測定單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣或氧氣的量，計算速率。③量子效率（QE）：量子效率是指吸收的光子中轉(zhuǎn)化為有效反應(yīng)（如產(chǎn)生一對活躍的電子-空穴）的光子比例，是衡量材料利用光能效率的指標(biāo)，計算公式為QE=(產(chǎn)生活躍載流子數(shù))/(吸收光子數(shù))。④TOF（TurnoverFrequency）：即每摩爾催化劑在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)化的底物摩爾數(shù)，用于評價催化劑的本征活性。4.光催化技術(shù)在資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景：光催化技術(shù)作為一種環(huán)境友好的綠色技術(shù)，在資源化學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。①環(huán)境污染治理：可高效降解水體和大氣中的持久性有機污染物，實現(xiàn)污染物的無害化處理。②資源轉(zhuǎn)化與利用：可用于水分解制氫，提供清潔能源；可用于CO?的催化還原，將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料，實現(xiàn)碳資源化利用；可用于將廢棄物（如生物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品。③礦冶過程的輔助：可用于礦物的綠色浸出、重金屬的吸附與還原等。④材料表面改性：利用光催化氧化還原性，對材料表面進行功能化改性。隨著材料科學(xué)和催化理論的不斷發(fā)展，光催化技術(shù)有望在解決環(huán)境污染和資源高效利用等重大挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。四、論述題1.半導(dǎo)體復(fù)合（構(gòu)建異質(zhì)結(jié)）提高光催化性能的機理：半導(dǎo)體復(fù)合是指兩種能帶結(jié)構(gòu)不同的半導(dǎo)體緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)內(nèi)存在內(nèi)建電場，該電場具有以下作用：①促進光生載流子分離：內(nèi)建電場會將同種載流子（電子或空穴）推向遠離界面的一側(cè)，從而有效地將光生電子和空穴分開，減少它們復(fù)合的幾率，提高了載流子的量子分離效率。②擴展光響應(yīng)范圍：通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，可以形成能帶偏移現(xiàn)象，使得復(fù)合帶的能量位置發(fā)生改變，可能產(chǎn)生新的能帶或改變原有能帶的相對位置，從而拓寬了半導(dǎo)體的光吸收范圍，使其能夠吸收更多可見光。③增強電荷傳輸：異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)通常具有更低的電荷傳輸電阻，有利于分離后的光生載流子快速遷移到材料表面參與反應(yīng)。④協(xié)同效應(yīng)：不同半導(dǎo)體的能帶位置、表面態(tài)等可以相互作用，可能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進一步提升催化活性。⑤構(gòu)建多級結(jié)構(gòu)：可以通過構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)等，進一步優(yōu)化電荷分離和傳輸，提高整體光催化性能。2.提高光催化材料穩(wěn)定性的主要策略及其原理：光催化材料的穩(wěn)定性主要包括化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性兩個方面。化學(xué)穩(wěn)定性指材料在光催化反應(yīng)的氧化還原環(huán)境下不易被腐蝕或發(fā)生結(jié)構(gòu)變化；光穩(wěn)定性指材料在持續(xù)光照下不易發(fā)生分解或性能衰減。提高穩(wěn)定性的主要策略及其原理如下：①表面改性：通過表面包覆（如包覆惰性金屬氧化物、碳層、聚合物等）或表面沉積（如沉積鈍化層），可以阻止活性位點被強氧化或還原性物質(zhì)破壞，隔絕材料與反應(yīng)環(huán)境的直接接觸，從而提高材料的化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。②缺陷工程：通過精確控制材料的缺陷類型和濃度，可以引入淺能級缺陷作為活性位點，同時深能級缺陷可以作為載流子的復(fù)合中心，通過調(diào)控缺陷密度來平衡活性與穩(wěn)定性。③摻雜：適量摻雜可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，可能鈍化材料表面的缺陷，提高抗腐蝕能力，或通過內(nèi)建電場促進載流子分離，減少表面復(fù)合，從而提高穩(wěn)定性。④構(gòu)建異質(zhì)結(jié)或多相復(fù)合材料：異質(zhì)結(jié)界面可以提供額外的反應(yīng)場所或鈍化層，多相復(fù)合材料中不同相之間可以相互保護，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。⑤形貌控制：特定形貌（如納米棒、納米網(wǎng)）可能具有更好的結(jié)構(gòu)支撐和電荷傳輸通道，提高穩(wěn)定性。⑥選擇合適的材料：本身具有高化學(xué)鍵能、穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)（如金、鉑等貴金屬雖然催化活性高但穩(wěn)定性好，或一些穩(wěn)定的金屬氧化物、硫化物）的材料，其穩(wěn)定性inherently更高。五、計算題1.計算光催化劑吸收光子的最小波長：需要吸收的光子能量E≥半導(dǎo)體的禁帶寬度E_g。E=hν=hc/λλ=hc/E_gh=6.626×10?3?J·sc=3.0×10?m/sE_g=3.0eV=3.0×1.602×10?1?Jλ=(6.626×10?3?J·s×3.0×10?m/s)/(3.0×1.602×10?1?J)λ=(1.9868×10?2?J·m)/(4.806×10?1?J)λ=4.136×10??m=413.6nm