2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——光催化材料的設(shè)計與性能優(yōu)化考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.對于半導(dǎo)體光催化劑，決定其能吸收光能范圍的主要因素是（）。A.晶體結(jié)構(gòu)B.尺寸大小C.能帶結(jié)構(gòu)D.表面狀態(tài)2.以下哪種方法不屬于通過改變半導(dǎo)體能帶位置來拓寬光響應(yīng)范圍？（）A.金屬離子摻雜B.非金屬離子摻雜C.構(gòu)建p-n異質(zhì)結(jié)D.簡單減小粒徑3.提高光生電子-空穴對分離效率的關(guān)鍵在于（）。A.增加比表面積B.縮短載流子擴散距離C.增加光吸收D.提高表面反應(yīng)速率4.構(gòu)建半導(dǎo)體-S型異質(zhì)結(jié)的主要目的是（）。A.增加光吸收B.提高電荷分離效率C.增大比表面積D.降低反應(yīng)能壘5.在光催化降解有機污染物的研究中，量子效率（Φ）的定義是（）。A.降解速率常數(shù)B.產(chǎn)物濃度C.被降解污染物初始濃度D.(參與反應(yīng)的光子數(shù)/吸收光子數(shù))×100%6.下列哪種表征技術(shù)主要用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成？（）A.SEMB.TEMC.XRDD.BET7.負(fù)載助催化劑在光催化反應(yīng)中的作用通常不包括（）。A.降低表面反應(yīng)能壘B.催化電荷的復(fù)合C.促進(jìn)反應(yīng)中間體的吸附D.增加材料的比表面積8.設(shè)計具有中空或多孔結(jié)構(gòu)的光催化材料，其主要優(yōu)勢在于（）。A.提高材料密度B.增加光吸收C.改善反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸D.降低制備成本9.在光催化水分解制氫過程中，為提高可見光利用率，常采用的方法是（）。A.制備寬能帶隙半導(dǎo)體B.制備窄能帶隙半導(dǎo)體C.進(jìn)行元素?fù)诫s或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)D.使用紫外光源10.下列關(guān)于光催化材料表面缺陷的說法，錯誤的是（）。A.表面缺陷可以作為光生載流子的復(fù)合中心B.適度的缺陷可以提高材料的活性C.缺陷可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)D.所有表面缺陷都有利于提高光催化活性二、填空題（每空2分，共20分）1.半導(dǎo)體光催化劑的光響應(yīng)范圍與其__________直接相關(guān)，當(dāng)帶隙寬度增大時，其吸收光子的__________也增大。2.通過__________、__________或__________等方法可以調(diào)控半導(dǎo)體納米材料的尺寸和形貌，從而影響其光催化性能。3.構(gòu)建n-p型異質(zhì)結(jié)時，為了實現(xiàn)有效的電荷轉(zhuǎn)移，通常要求n型半導(dǎo)體的費米能級位于p型半導(dǎo)體的__________。4.光催化反應(yīng)的量子效率是指轉(zhuǎn)化光能為化學(xué)能的__________，其值通常小于100%。5.常用的光催化材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)包括__________、__________、__________和__________等。6.為了提高光催化材料的穩(wěn)定性，可以采取__________表面改性、__________或構(gòu)建__________等方法。7.在光催化CO?還原反應(yīng)中，常用的助催化劑包括__________、__________等貴金屬。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述量子尺寸效應(yīng)對半導(dǎo)體光催化劑能帶結(jié)構(gòu)和光催化活性的影響。2.簡述負(fù)載助催化劑對半導(dǎo)體光催化材料性能優(yōu)化的主要機制。3.簡述構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)提高光催化性能的主要原理。4.簡述光催化材料性能評價中，選擇合適模型反應(yīng)的重要性。四、論述題（每題10分，共30分）1.以一種特定的半導(dǎo)體光催化劑為例（如TiO?），闡述通過組分調(diào)控（如摻雜）和結(jié)構(gòu)調(diào)控（如構(gòu)建異質(zhì)結(jié)）相結(jié)合的設(shè)計策略，以提升其在可見光下光催化降解有機污染物性能的思路。2.論述光催化材料的設(shè)計應(yīng)如何考慮實際應(yīng)用需求，例如在光催化水分解制氫或光催化降解水體污染物時，分別應(yīng)重點關(guān)注哪些性能指標(biāo)，并簡述相應(yīng)的優(yōu)化策略。3.結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)的特點，論述光催化技術(shù)在未來礦產(chǎn)資源高效利用或環(huán)境修復(fù)（如礦山廢水處理）中的潛在應(yīng)用前景，并指出當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.B5.D6.C7.B8.C9.C10.D解析1.半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)決定了其能吸收光子的能量范圍，即光響應(yīng)范圍。C正確。2.金屬或非金屬摻雜可以改變半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)（如引入雜質(zhì)能級），或構(gòu)建能帶偏移的異質(zhì)結(jié)來拓寬光響應(yīng)范圍。減小粒徑主要體現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)，對帶隙的影響相對復(fù)雜，且不是直接拓寬可見光范圍的最常用方法。D錯誤。3.光生載流子在半導(dǎo)體內(nèi)擴散并在表面復(fù)合，縮短載流子擴散距離可以有效減少復(fù)合，提高分離效率。B正確。4.S型異質(zhì)結(jié)通過內(nèi)建電場和能帶彎曲，有利于光生電子和空穴向不同半導(dǎo)體的價帶和導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移，從而提高分離效率。B正確。5.量子效率定義為參與反應(yīng)的光子數(shù)（或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的光子數(shù)）占吸收光子數(shù)的百分比。D正確。6.X射線衍射（XRD）是分析晶體結(jié)構(gòu)和物相組成的主要技術(shù)。A、B、D分別是掃描電鏡、透射電鏡和比表面積及孔徑分析技術(shù)。C正確。7.助催化劑通常用于降低表面反應(yīng)的活化能，或促進(jìn)反應(yīng)中間體的轉(zhuǎn)化，從而提高表面反應(yīng)速率。電荷復(fù)合是光生載流子的主要損失途徑之一，助催化劑的引入一般不會促進(jìn)復(fù)合。B錯誤。8.中空或多孔結(jié)構(gòu)具有大的內(nèi)部比表面積和開放的孔道，有利于反應(yīng)物分子的吸附、擴散以及產(chǎn)物分子的脫附，從而提高反應(yīng)效率。C正確。9.提高可見光利用率的關(guān)鍵在于拓寬半導(dǎo)體的光響應(yīng)范圍至可見光區(qū)，或增強材料對可見光的吸收。制備窄能帶隙半導(dǎo)體可以吸收更多可見光，但可能帶邊電位不合適。元素?fù)诫s或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是常用的拓寬光響應(yīng)范圍的方法。C正確。10.表面缺陷可以提供額外的活性位點，也可能作為載流子的復(fù)合中心。適度的缺陷（如氧空位）通常能提高活性。缺陷確實可以改變能帶結(jié)構(gòu)。并非所有缺陷都利于活性，過度的缺陷或某些特定類型的缺陷可能反而增加復(fù)合，降低活性。D錯誤。二、填空題1.能帶寬度；頻率2.形貌；尺寸；組分3.能帶下方4.比例5.X射線衍射（XRD）；掃描電子顯微鏡（SEM）；透射電子顯微鏡（TEM）；比表面積及孔徑分析儀（BET）6.表面覆蓋；缺陷鈍化；核殼結(jié)構(gòu)7.Pt；Pd解析1.半導(dǎo)體的吸收光譜與其帶隙寬度密切相關(guān)。根據(jù)Eg=hc/λ，帶隙寬度越大，能吸收的光子能量越高，對應(yīng)的光頻率越高（或波長越短）。因此，光響應(yīng)范圍與帶隙寬度正相關(guān)，與吸收光子的頻率正相關(guān)。2.調(diào)控半導(dǎo)體材料的形貌（如球形、立方體、納米棒、納米線等）和尺寸（如納米顆粒的大?。┦浅Ｒ姷奈锢碚{(diào)控手段。組分調(diào)控（如元素?fù)诫s）可以改變材料的化學(xué)性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)。3.在n-p異質(zhì)結(jié)中，n型半導(dǎo)體具有較低的費米能級，p型半導(dǎo)體具有較高的費米能級。為了使光生電子能有效地從n型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到p型半導(dǎo)體的價帶，或者光生空穴能有效地轉(zhuǎn)移，需要n型半導(dǎo)體的費米能級處于p型半導(dǎo)體費米能級的下方，以形成驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)移的內(nèi)建電場。4.量子效率表示吸收的光子中成功轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（或參與目標(biāo)反應(yīng)）的比例，是一個衡量材料利用光能效率的指標(biāo)。5.常用的表征技術(shù)包括：XRD用于晶體結(jié)構(gòu)和物相分析；SEM用于觀察材料表面形貌；TEM用于觀察更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和晶體缺陷；BET用于測定材料的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)。6.提高材料穩(wěn)定性的方法：①表面覆蓋，如用惰性材料或保護層覆蓋活性位點；②缺陷鈍化，消除或修飾不利缺陷；③構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。7.在光催化CO?還原制燃料的研究中，Pt和Pd等貴金屬常被用作助催化劑，以提高催化CO?活化的活性位點數(shù)量或降低反應(yīng)的活化能。三、簡答題1.量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)半導(dǎo)體納米顆粒的尺寸減小到納米級別（小于其德布羅意波長或能級間隔與熱能同量級時），其能帶結(jié)構(gòu)從連續(xù)的塊體能帶轉(zhuǎn)變?yōu)榉至⒌哪芗?。隨著尺寸減小，能級間距增大，導(dǎo)帶底和價帶頂發(fā)生傾斜，帶隙寬度增大（對于直接帶隙半導(dǎo)體）。增大的帶隙使得材料吸收光子的能量增加，即向紫外光區(qū)域移動。同時，能帶結(jié)構(gòu)的改變也可能影響載流子的有效質(zhì)量、遷移率以及表面與體相的相互作用，進(jìn)而影響光催化活性。2.負(fù)載助催化劑對光催化材料性能優(yōu)化的機制主要包括：①提供更多的催化活性位點，增加單位質(zhì)量催化劑的表觀活性；②降低表面反應(yīng)的活化能，加速反應(yīng)進(jìn)程；③作為電子捕獲劑或供體，促進(jìn)光生電荷的有效分離和傳輸，減少電荷復(fù)合損失；④改變半導(dǎo)體表面態(tài)，調(diào)節(jié)表面反應(yīng)選擇性。3.構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可以顯著提高光催化性能的主要原理在于：①形成內(nèi)建電場和勢壘，該電場可以驅(qū)動光生電子和空穴向異質(zhì)結(jié)界面移動，從而有效分離和遷移電荷，顯著降低電荷復(fù)合率；②能帶彎曲，使得復(fù)合半導(dǎo)體的價帶頂或?qū)У装l(fā)生移動，可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的氧化還原能力，使其更適合特定的光催化反應(yīng)（如提高氧化或還原能力）；③界面效應(yīng)，異質(zhì)結(jié)界面可能形成新的能級或缺陷態(tài)，可以作為活性位點或促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移。4.選擇合適的模型反應(yīng)對于光催化材料性能評價至關(guān)重要，原因在于：①模型反應(yīng)通常條件相對簡單、易于控制、反應(yīng)機理清晰，可以作為評價材料基本光催化活性和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)方法；②通過模型反應(yīng)可以定量評價材料的量子效率、礦化率等關(guān)鍵性能指標(biāo)；③不同模型反應(yīng)對應(yīng)不同的反應(yīng)機理和速率控制步驟，選擇合適的模型反應(yīng)可以幫助研究人員理解材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為后續(xù)的材料設(shè)計和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)；④模型反應(yīng)的結(jié)果可以用于比較不同光催化劑的性能優(yōu)劣，為篩選高效催化劑提供依據(jù)；⑤研究結(jié)果可以為將光催化技術(shù)應(yīng)用于實際環(huán)境或工業(yè)問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。四、論述題1.以TiO?為例，提升其在可見光下光催化降解有機污染物性能的設(shè)計策略可以結(jié)合組分調(diào)控和結(jié)構(gòu)調(diào)控：①組分調(diào)控（摻雜）：通過摻雜非金屬元素（如N、C、S等）或過渡金屬元素（如V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu等），可以改性TiO?的能帶結(jié)構(gòu)。非金屬摻雜可以引入雜質(zhì)能級位于導(dǎo)帶底下方或價帶頂上方，拓寬TiO?的可見光吸收范圍，并可能提高電荷分離效率。例如，N摻雜TiO?可以在可見光下產(chǎn)生氧空位等活性位點，增強氧化能力。過渡金屬摻雜可以引入磁矩，影響載流子遷移和復(fù)合，并可能改變能帶結(jié)構(gòu)。②結(jié)構(gòu)調(diào)控（異質(zhì)結(jié)構(gòu)建）：構(gòu)建TiO?與其他半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)（如TiO?/CdS、TiO?/Ag?PO?、TiO?/MoS?等），可以利用不同半導(dǎo)體的能帶偏移，形成內(nèi)建電場，促進(jìn)光生電荷的有效分離和傳輸，顯著降低電荷復(fù)合。例如，CdS具有較窄的帶隙，能吸收可見光，其價帶頂高于TiO?，可以捕獲TiO?的光生電子，從而提高TiO?的光催化活性。此外，還可以通過形貌調(diào)控（如制備TiO?納米管、納米片、中空球等）增加材料的比表面積和光散射能力，提高光利用率。通過這種組分和結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多重調(diào)控策略，可以顯著提升TiO?在可見光下的光催化降解性能。2.光催化材料的設(shè)計應(yīng)緊密結(jié)合實際應(yīng)用需求，針對不同的應(yīng)用場景，關(guān)注不同的性能指標(biāo)并采取相應(yīng)的優(yōu)化策略：①光催化水分解制氫：主要關(guān)注指標(biāo)包括：①可見光響應(yīng)范圍（拓寬光吸收）；②光生電荷分離效率（減少復(fù)合）；③氫evolutionrate（HER）的TOF值或量子效率（衡量產(chǎn)氫能力）；④材料的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性（長期運行）；⑤成本效益。優(yōu)化策略：①開發(fā)寬帶隙半導(dǎo)體或通過摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等手段拓寬可見光吸收；②構(gòu)建高效異質(zhì)結(jié)、利用缺陷工程等提高電荷分離效率；③負(fù)載高效助催化劑（如Pt）以降低HER活化能；④優(yōu)化形貌和尺寸以提高光散射和反應(yīng)位點；⑤選擇廉價、易得、環(huán)境友好的材料。②光催化降解水體污染物：主要關(guān)注指標(biāo)包括：①對目標(biāo)污染物的光催化降解效率（礦化率）；②反應(yīng)速率常數(shù)；③選擇性和抗抑制性（對共存物質(zhì)的耐受性）；④催化劑的回收和重復(fù)使用性能；⑤安全性（避免二次污染）。優(yōu)化策略：①根據(jù)污染物吸收特性選擇或設(shè)計合適的光催化劑（如調(diào)整能帶位置匹配氧化還原電位）；②通過改性提高催化劑的比表面積和活性位點密度；③構(gòu)建異質(zhì)結(jié)或負(fù)載助催化劑以增強氧化能力或提高降解效率；④設(shè)計易于分離回收的催化劑結(jié)構(gòu)（如磁性材料、載體負(fù)載）；⑤確保材料在應(yīng)用條件下的穩(wěn)定性和環(huán)境友好性。綜合考慮效率、成本、穩(wěn)定性和環(huán)境影響，是實現(xiàn)光催化技術(shù)實際應(yīng)用的關(guān)鍵。3.結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)的特點，光催化技術(shù)在礦產(chǎn)資源高效利用和環(huán)境修復(fù)中具有巨大潛力，但也面臨挑戰(zhàn)：應(yīng)用前景：①礦產(chǎn)資源提取與富集：可利用光催化材料氧化還原礦漿中的目標(biāo)元素或雜質(zhì)，實現(xiàn)選擇性提取或轉(zhuǎn)化。例如，光催化氧化將硫化礦中的硫氧化，提高后續(xù)金屬浸出效率；光催化還原將低品位氧化物礦中的金屬還原浸出；光催化降解含重金屬離子的廢水，實現(xiàn)資源回收或無害化處理。②環(huán)境修復(fù)：①礦山廢水處理：光催化技術(shù)可以有效降解廢水中的氰化物、重金屬離子、酚類、重金屬絡(luò)合物等污染物，實現(xiàn)廢水凈化和資源化利用（如回收重金屬）。②尾礦庫環(huán)境修復(fù)：利用光催化材料固定、轉(zhuǎn)化或降解尾礦堆淋濾液中的有害物質(zhì)，降低環(huán)境污染。③礦區(qū)