2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——金屬有機(jī)骨架材料的設(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(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）的基本結(jié)構(gòu)組成部分？(A)金屬離子或簇(B)有機(jī)配體(C)晶體缺陷(D)無(wú)機(jī)填料2.在MOF設(shè)計(jì)中，選擇具有羧基（-COOH）官能團(tuán)的有機(jī)連接體，其主要目的是什么？(A)增加材料的疏水性(B)提供酸性位點(diǎn)，可用于催化或吸附(C)減小材料的比表面積(D)防止金屬節(jié)點(diǎn)間的配位橋連3.UiO-66系列MOFs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型屬于？(A)MOF-5型（立方密堆積）(B)符合Rho拓?fù)?C)NU-100系列（一維鏈狀）(D)符合Beta拓?fù)?.溶劑熱法合成MOFs的主要優(yōu)勢(shì)之一是？(A)適用于所有類(lèi)型的有機(jī)連接體(B)可以在較低溫度下進(jìn)行，通常在液相中(C)易于實(shí)現(xiàn)材料的氣相沉積(D)適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)5.以下哪種表征技術(shù)是用于直接確定MOFs晶體結(jié)構(gòu)的最常用方法？(A)氮?dú)馕?脫附等溫線測(cè)量(B)紅外光譜（IR）分析(C)X射線衍射（XRD）(D)掃描電子顯微鏡（SEM）成像6.若要設(shè)計(jì)一種具有高孔隙率和較大孔徑的MOF，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇哪種類(lèi)型的有機(jī)連接體？(A)線性且柔性的有機(jī)鏈(B)具有支鏈的剛性有機(jī)環(huán)(C)含有大量非氫鍵給體（如-OH,N-H）的連接體(D)平面型的芳香族有機(jī)分子7.在資源化學(xué)領(lǐng)域，MOFs材料被研究用于吸附和分離CO2，其關(guān)鍵在于？(A)MOFs具有極高的密度(B)MOFs骨架中存在可調(diào)節(jié)的酸性位點(diǎn)或路易斯酸位點(diǎn)(C)MOFs對(duì)所有氣體都表現(xiàn)出極高的吸附選擇性(D)MOFs的合成成本極低8.浸漬法合成MOFs通常適用于什么情況？(A)當(dāng)金屬前驅(qū)體不易溶于常見(jiàn)溶劑時(shí)(B)當(dāng)需要制備多孔碳材料時(shí)(C)當(dāng)要求獲得高度均一的MOF薄膜時(shí)(D)當(dāng)需要快速合成大量MOFs時(shí)9.某種MOF在固態(tài)時(shí)表現(xiàn)出良好的催化活性，但在溶液中活性顯著降低，可能的原因是？(A)MOF骨架在溶液中不穩(wěn)定易分解(B)MOF的活性位點(diǎn)在溶液中難以接近或被溶劑掩蔽(C)有機(jī)連接體在溶液中發(fā)生了結(jié)構(gòu)重排(D)金屬節(jié)點(diǎn)在溶液中發(fā)生了溶出10.下列哪種性質(zhì)不是所有MOFs材料都具備的？(A)高比表面積(B)可調(diào)的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境(C)化學(xué)穩(wěn)定性（包括熱穩(wěn)定性和化學(xué)耐受性）(D)自身具有光催化活性二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）是由____________和____________通過(guò)配位鍵或氫鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。2.根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的定義，MOFs的孔道中g(shù)uest分子含量一般應(yīng)低于_____________%。3.有機(jī)連接體通過(guò)____________與金屬節(jié)點(diǎn)連接，共同決定MOFs的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4.除了傳統(tǒng)的溶劑熱/水熱法，近年來(lái)發(fā)展的MOFs綠色合成方法包括____________法和____________法。5.用于評(píng)價(jià)MOFs比表面積和孔體積的關(guān)鍵參數(shù)是____________（BET）。6.為了賦予MOFs特定的功能，可以通過(guò)在有機(jī)連接體或金屬節(jié)點(diǎn)上引入____________來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.資源化學(xué)領(lǐng)域利用MOFs進(jìn)行水體凈化時(shí)，可以利用其孔道選擇性吸附____________或富集____________等目標(biāo)污染物。8.影響MOFs熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一是連接體與金屬節(jié)點(diǎn)之間的____________強(qiáng)度。9.當(dāng)MOF的孔道尺寸與客體分子尺寸相當(dāng)時(shí)，通常表現(xiàn)出對(duì)客體分子吸附的____________效應(yīng)。10.UiO-66是一種基于____________和____________配體的MOF材料。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述影響MOFs合成產(chǎn)物的關(guān)鍵因素有哪些？2.請(qǐng)比較溶劑熱法和水熱法合成MOFs的異同點(diǎn)。3.闡述金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）在資源化學(xué)領(lǐng)域中至少三個(gè)潛在的應(yīng)用方向及其重要性。四、論述題（每題10分，共20分）1.設(shè)計(jì)一種用于高效吸附二氧化碳（CO2）的MOF材料，請(qǐng)闡述你需要考慮哪些關(guān)鍵因素（包括金屬節(jié)點(diǎn)選擇、有機(jī)連接體設(shè)計(jì)、合成條件等），并說(shuō)明理由。2.結(jié)合資源化學(xué)的專(zhuān)業(yè)背景，論述在設(shè)計(jì)和合成MOFs材料時(shí)，如何平衡其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成可行性、穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用需求之間的關(guān)系。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.(C)解析思路：MOFs的基本結(jié)構(gòu)是由金屬節(jié)點(diǎn)（A）和有機(jī)連接體（B）通過(guò)配位鍵或氫鍵自組裝而成（D錯(cuò)誤）。晶體缺陷（C）是材料中存在的非理想結(jié)構(gòu)，不屬于其基本組成單元。2.(B)解析思路：羧基（-COOH）是酸性官能團(tuán)，可以提供質(zhì)子（H+），因此在MOF設(shè)計(jì)中引入含羧基的連接體，旨在利用這些酸性位點(diǎn)進(jìn)行催化反應(yīng)或吸附帶正電的物種。3.(B)解析思路：UiO-66通常指由Zr(4+)和有機(jī)連接體苯二甲酸（BDC）組成的MOF，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于IUPAC命名的Rho拓?fù)洌ㄒ渤１环Q(chēng)為SQL(4,4)）。4.(B)解析思路：溶劑熱法通常在較高溫度（液相）下進(jìn)行，可以利用溶劑的溶解能力來(lái)溶解金屬前驅(qū)體和有機(jī)配體，從而促進(jìn)自組裝，且對(duì)某些不易揮發(fā)的連接體或金屬鹽更適用。它不一定是低溫（A錯(cuò)誤），不一定是氣相沉積（C錯(cuò)誤），也不一定是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)方法（D錯(cuò)誤）。5.(C)解析思路：X射線衍射（XRD）能夠提供晶體結(jié)構(gòu)的直接信息，是確定MOFs晶體結(jié)構(gòu)歸屬和驗(yàn)證合成產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)方法。氮?dú)馕剑ˋ）測(cè)的是比表面積和孔結(jié)構(gòu)，IR（B）測(cè)的是官能團(tuán)，SEM（D）是形貌表征。6.(A)解析思路：線性且柔性的有機(jī)連接體通常能夠形成相對(duì)開(kāi)放的孔道結(jié)構(gòu)，易于增大孔徑。剛性環(huán)狀連接體（B）易導(dǎo)致較小的孔徑。含有大量非氫鍵給體的連接體（C）可能增加氫鍵作用，影響孔道開(kāi)放性。平面型芳香族分子（D）通常形成較規(guī)整但可能較小的孔道。7.(B)解析思路：MOFs吸附CO2的關(guān)鍵在于其孔道內(nèi)表面提供的酸性位點(diǎn)（路易斯酸位點(diǎn)）能夠與CO2分子發(fā)生相互作用（如路易斯酸堿作用），從而增強(qiáng)CO2的吸附量。選擇性（A,C）和低成本（D）也很重要，但核心在于酸堿相互作用。8.(A)解析思路：浸漬法是將有機(jī)連接體或含有金屬前驅(qū)體的溶液/懸浮液引入到多孔的載體（如硅膠、活性炭）或多孔前驅(qū)體（如聚合物泡沫）中，然后通過(guò)溶劑揮發(fā)或熱處理使MOF在載體孔道內(nèi)或表面生長(zhǎng)。這種方法特別適用于金屬前驅(qū)體溶解性差的情況。9.(B)解析思路：MOF的活性位點(diǎn)通常位于其開(kāi)放的孔道表面。當(dāng)MOF分散在溶液中時(shí)，其孔道可能被溶劑分子占據(jù)或發(fā)生坍塌，導(dǎo)致活性位點(diǎn)被掩蔽或無(wú)法有效接觸底物，從而活性降低。骨架分解（A）、連接體重排（C）也可能發(fā)生，但B是最直接的原因之一。10.(D)解析思路：MOFs具有高比表面積（A）、可調(diào)的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境（B）、一定的化學(xué)穩(wěn)定性（C，但穩(wěn)定性是可調(diào)的）。然而，并非所有MOFs都天然具有光催化活性（D），這通常需要通過(guò)特殊設(shè)計(jì)或后修飾引入光響應(yīng)基團(tuán)或催化活性位點(diǎn)。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.金屬節(jié)點(diǎn)；有機(jī)連接體解析思路：這是構(gòu)成MOFs的基本骨架單元。2.50解析思路：IUPAC定義孔隙率（PoreVolumeFraction）是指低于某一壓力（通常是P/P0=0.975）時(shí)MOF孔道中包含的氣體分子體積占整個(gè)MOF體系體積的比例，通常要求低于50%。3.配位鍵或氫鍵解析思路：金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)連接體之間的化學(xué)連接主要是通過(guò)金屬離子/簇與配體原子的配位作用，或者通過(guò)連接體上的氫原子與金屬節(jié)點(diǎn)配體上的含氧、含氮原子之間的氫鍵。4.水相；氣相解析思路：綠色合成方法旨在減少對(duì)環(huán)境的影響。水相合成（如水熱法）使用水作為溶劑。氣相合成（如氣相誘導(dǎo)沉積）則在氣相條件下進(jìn)行，通常使用含金屬或配體的氣體作為前驅(qū)體。5.比表面積解析思路：BET（Brunauer-Emmett-Teller）方法是基于物理吸附原理，通過(guò)測(cè)量氮?dú)庠贛OF孔道中的吸附等溫線來(lái)計(jì)算其比表面積。6.功能基團(tuán)解析思路：通過(guò)在連接體或金屬節(jié)點(diǎn)引入特定的官能團(tuán)（如酸性、堿性、氧化還原活性位點(diǎn)、光響應(yīng)基團(tuán)等），可以賦予MOFs特定的催化、吸附、傳感等性能。7.重金屬離子；揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）解析思路：MOFs因其高孔隙率和選擇性，被廣泛研究用于吸附水體中的污染物，如有毒的重金屬離子（如Pb2+,Cd2+,Hg2+）和常見(jiàn)的揮發(fā)性有機(jī)污染物（如苯、甲苯、甲醛等）。8.配位鍵解析思路：連接體與金屬節(jié)點(diǎn)之間的配位鍵強(qiáng)度直接決定了MOF骨架的穩(wěn)固程度，進(jìn)而影響其在不同溫度或化學(xué)環(huán)境下的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。9.精確解析思路：當(dāng)MOF的孔徑與目標(biāo)吸附分子的尺寸相匹配時(shí)，根據(jù)分子尺寸效應(yīng)，吸附過(guò)程會(huì)受到強(qiáng)烈的分子篩分作用，表現(xiàn)出對(duì)特定尺寸分子的極高吸附選擇性（即精確吸附）。10.Zr(4+);苯二甲酸（或?qū)Ρ蕉姿幔┙馕鏊悸罚篣iO-66是最著名的MOF之一，其金屬節(jié)點(diǎn)是Zr(4+)（通常來(lái)自ZrCl4），有機(jī)連接體是苯二甲酸（BDC）或其衍生物。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述影響MOFs合成產(chǎn)物的關(guān)鍵因素有哪些？解析思路：影響MOFs合成產(chǎn)物的因素主要包括：①前驅(qū)體種類(lèi)與比例：金屬鹽的種類(lèi)、濃度，有機(jī)連接體的種類(lèi)、濃度及其摩爾比，直接影響最終產(chǎn)物的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。②溶劑：溶劑的極性、介電常數(shù)、配位能力等會(huì)影響前驅(qū)體的溶解度、反應(yīng)速率和成核過(guò)程。③溫度與壓力：溫度和壓力（尤其在水熱/溶劑熱條件下）影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，進(jìn)而影響產(chǎn)物的結(jié)晶度、相純度和結(jié)晶尺寸。④pH值：溶液的酸堿性會(huì)影響金屬離子的溶解、配位狀態(tài)以及有機(jī)連接體的形態(tài)，對(duì)產(chǎn)物的穩(wěn)定性也有影響。⑤合成時(shí)間：反應(yīng)時(shí)間需要足夠長(zhǎng)以保證完全反應(yīng)和晶體生長(zhǎng)，但過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致副產(chǎn)物生成或產(chǎn)物失活。⑥添加劑：引入某些添加劑（如結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑、表面活性劑）可以調(diào)控晶體的成核、生長(zhǎng)和晶型。2.請(qǐng)比較溶劑熱法和水熱法合成MOFs的異同點(diǎn)。解析思路：相同點(diǎn)：兩者都是在高溫（通常>100°C）和高壓（通常是自生蒸汽壓或外加壓力）的密閉容器（高壓釜）中進(jìn)行反應(yīng)，都屬于液相合成方法，利用高溫高壓促進(jìn)溶解和自組裝。不同點(diǎn)：①溶劑：溶劑熱法通?？梢允褂枚喾N有機(jī)溶劑甚至混合溶劑，而水熱法原則上必須使用水作為溶劑（或水與其它溶劑的混合物，但水通常是主要成分）。②反應(yīng)環(huán)境：水熱法是在純水或水溶液的高溫高壓下進(jìn)行，可能形成水合相；溶劑熱法是在非水溶劑的高溫高壓下進(jìn)行，形成非水相。③適用范圍：對(duì)于某些不溶于水或水溶液中不穩(wěn)定的金屬前驅(qū)體或有機(jī)連接體，溶劑熱法更具優(yōu)勢(shì)。④術(shù)語(yǔ)習(xí)慣：水熱法是更早的術(shù)語(yǔ)，通常指在水相高溫高壓下進(jìn)行；溶劑熱法是更廣義的術(shù)語(yǔ)，指在非水溶劑高溫高壓下進(jìn)行，有時(shí)也泛指所有在密閉容器中高溫高壓液相合成。3.闡述金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）在資源化學(xué)領(lǐng)域中至少三個(gè)潛在的應(yīng)用方向及其重要性。解析思路：①CO2捕獲與利用：MOFs的高孔隙率和可調(diào)控的孔道化學(xué)使其成為高效的CO2吸附劑。利用MOFs捕獲CO2，不僅可以減少大氣中的溫室氣體濃度，還可以將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料（如通過(guò)催化加氫制甲醇），對(duì)于緩解氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳資源循環(huán)利用具有重要意義。②污染物吸附與去除：MOFs的選擇性孔道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中特定污染物（如重金屬離子、抗生素、揮發(fā)性有機(jī)物）的高效吸附和富集，為水處理提供了一種高效、環(huán)保、可回收的吸附材料，對(duì)保障水資源安全至關(guān)重要。③資源（元素）提取與富集：設(shè)計(jì)具有特定孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境的MOFs，可以用于從礦石浸出液、廢水或工業(yè)尾氣中高效分離和富集有價(jià)金屬元素（如稀土元素、貴金屬）或氣體資源（如氦氣），提高資源回收率，降低環(huán)境污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用具有重要價(jià)值。四、論述題（每題10分，共20分）1.設(shè)計(jì)一種用于高效吸附二氧化碳（CO2）的MOF材料，請(qǐng)闡述你需要考慮哪些關(guān)鍵因素（包括金屬節(jié)點(diǎn)選擇、有機(jī)連接體設(shè)計(jì)、合成條件等），并說(shuō)明理由。解析思路：設(shè)計(jì)CO2吸附MOF需考慮：①金屬節(jié)點(diǎn)選擇：優(yōu)先選擇具有路易斯酸性位點(diǎn)的金屬離子，如Zn(2+)（如MOF-5,UiO-66）、Mg(2+)、Co(2+)、Ni(2+)等。理由是路易斯酸位點(diǎn)能與CO2的羰基氧形成路易斯酸堿相互作用，顯著增強(qiáng)CO2的吸附能力。②有機(jī)連接體設(shè)計(jì)：選擇剛性連接體以保證孔道開(kāi)放性。連接體上應(yīng)引入強(qiáng)路易斯酸位點(diǎn)（如金屬中心本身）和能夠與CO2形成協(xié)同吸附作用（如同時(shí)具有氫鍵供體和受體）的基團(tuán)。例如，含羧基的連接體（如BDC）可以提供氫鍵位點(diǎn)，同時(shí)金屬節(jié)點(diǎn)提供路易斯酸位點(diǎn)。③孔道尺寸與化學(xué)環(huán)境：孔道尺寸應(yīng)適中，過(guò)大或過(guò)小都不利于高效吸附。孔道內(nèi)表面應(yīng)富含路易斯酸位點(diǎn)，同時(shí)避免存在過(guò)多強(qiáng)堿性位點(diǎn)（如-NH2），因?yàn)閺?qiáng)堿性位點(diǎn)會(huì)與CO2發(fā)生化學(xué)吸附生成氨基甲酸鹽，可能降低CO2的吸附容量或選擇性。④合成條件：選擇合適的溶劑和溫度。溶劑應(yīng)有利于前驅(qū)體溶解和MOF自組裝。溫度不宜過(guò)高，以免導(dǎo)致產(chǎn)物結(jié)晶度降低或副反應(yīng)發(fā)生。⑤穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)的MOF應(yīng)具備良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以確保在實(shí)際應(yīng)用中能夠承受吸附-解吸循環(huán)和可能的復(fù)雜環(huán)境。綜合考慮，選擇Zn(2+)或Zr(4+)為節(jié)點(diǎn)，BDC或其衍生物為連接體的MOFs（如MOF-5,UiO-66）是常見(jiàn)的、有效的CO2吸附材料。2.結(jié)合資源化學(xué)的專(zhuān)業(yè)背景，論述在設(shè)計(jì)和合成MOFs材料時(shí)，如何平衡其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成可行性、穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用需求之間的關(guān)系。解析思路：在資源化學(xué)背景下設(shè)計(jì)和合成MOFs時(shí)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成可行性、穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用需求之間的平衡：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求：首先要明確MOFs在資源化學(xué)中的具體應(yīng)用目標(biāo)，如分離特定氣體（選擇性）、吸附特定污染物（容量和選擇性）、催化特定反應(yīng)（活性、選擇性、穩(wěn)定性）。結(jié)