2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——光催化劑的合成及光催化性能研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.光催化劑通常需要具有合適的禁帶寬度，其值一般介于__________eV和__________eV之間才能有效吸收可見(jiàn)光。2.在光催化過(guò)程中，半導(dǎo)體表面光生電子和空穴的復(fù)合是主要的失活途徑，常用的抑制復(fù)合的方法包括__________、__________和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等。3.水熱/溶劑熱法合成光催化劑時(shí)，溶劑的選擇不僅影響反應(yīng)物溶解度，也關(guān)系到產(chǎn)物的__________和__________。4.X射線衍射（XRD）主要用于分析光催化劑的__________和__________。5.評(píng)價(jià)光催化劑光催化活性的常用指標(biāo)包括__________、__________和量子效率（QE）等。6.用于光催化降解有機(jī)染料的研究中，常用的污染物模型物有__________、__________等。7.拉曼光譜相比紅外光譜，其主要優(yōu)勢(shì)在于對(duì)__________敏感，更適合分析__________催化劑或存在紅外吸收重疊時(shí)的樣品。8.影響光催化反應(yīng)速率的因素除了催化劑本身性質(zhì)外，還包括__________、__________和__________等。9.光催化劑的穩(wěn)定性是衡量其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)，主要包括__________穩(wěn)定性和__________穩(wěn)定性。10.光催化技術(shù)在水處理領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向包括__________、__________和__________。二、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.下列哪種方法通常不適用于制備高比表面積的光催化劑？（）A.溶膠-凝膠法B.水熱法C.微乳液法D.沉淀法2.當(dāng)入射光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生？（）A.光電子發(fā)射B.光致發(fā)光C.光生電子-空穴對(duì)D.俄歇電子3.下列哪種表征技術(shù)主要用于測(cè)定固體材料的元素組成和化學(xué)鍵信息？（）A.X射線衍射（XRD）B.掃描電子顯微鏡（SEM）C.X射線光電子能譜（XPS）D.紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）4.在光催化降解有機(jī)污染物的研究中，量子效率（QE）是指？（）A.降解的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)B.生成產(chǎn)物所需的光能效率C.捕獲的電子數(shù)與吸收的光子數(shù)之比D.催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.下列哪種合成方法通常在高溫高壓條件下進(jìn)行？（）A.沉淀法B.溶膠-凝膠法C.水熱/溶劑熱法D.氣相沉積法6.光催化劑的半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)帶頂位于__________能級(jí)，價(jià)帶底位于__________能級(jí)？（）A.更高；更負(fù)B.更低；更正C.更高；更正D.更低；更負(fù)7.下列哪種因素通常有利于提高光生載流子的分離效率？（）A.增大半導(dǎo)體的禁帶寬度B.提高半導(dǎo)體的本征缺陷濃度C.構(gòu)建能帶匹配的異質(zhì)結(jié)D.降低半導(dǎo)體的比表面積8.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）主要用于分析光催化劑表面的？（）A.物相結(jié)構(gòu)B.元素組成C.化學(xué)鍵和官能團(tuán)D.晶粒尺寸9.光催化水分解制氫過(guò)程中，需要同時(shí)發(fā)生__________和__________反應(yīng)？（）A.氧化；還原B.還原；氧化C.氧化；氧化D.還原；還原10.對(duì)于光催化劑的應(yīng)用研究，考察其__________和__________非常重要？（）A.光催化活性；量子效率B.穩(wěn)定性；選擇性C.比表面積；孔徑分布D.合成成本；反應(yīng)速率三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述水熱法制備光催化劑的基本原理及其至少兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2.解釋什么是半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)述光生電子和空穴如何產(chǎn)生。3.簡(jiǎn)述X射線光電子能譜（XPS）在分析光催化劑表面元素組成和化學(xué)態(tài)方面的作用。4.在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，影響反應(yīng)速率的主要因素有哪些？請(qǐng)列舉至少三項(xiàng)。5.什么是光催化量子效率（QE）？其數(shù)值大小反映了什么？6.簡(jiǎn)述光催化劑在資源化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行CO?還原制取化學(xué)品或燃料的潛在應(yīng)用價(jià)值。四、論述題（每題10分，共40分）1.比較并論述水熱法和溶膠-凝膠法兩種合成光催化劑方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。2.結(jié)合光催化機(jī)理，論述如何通過(guò)調(diào)控光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)提高其光催化活性。3.以光催化降解有機(jī)染料為例，論述表征技術(shù)在研究光催化劑性能過(guò)程中的重要作用（至少提及三種表征技術(shù)及其作用）。4.討論提高光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性的重要性和主要挑戰(zhàn)，并提出幾種可能的提高策略。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.2.0；3.22.能量補(bǔ)償；表面缺陷；構(gòu)建異質(zhì)結(jié)3.形貌；尺寸4.晶相；晶粒大小5.降解速率；礦化程度6.亞甲基藍(lán)；甲基橙7.拉曼散射；碳基8.光照強(qiáng)度；反應(yīng)物濃度；pH值9.結(jié)構(gòu)；化學(xué)10.廢水處理；空氣凈化；CO?資源化利用二、選擇題（每題2分，共20分）1.D2.C3.C4.C5.C6.A7.C8.C9.B10.B三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.原理：利用高壓釜在高溫高壓溶液環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使前驅(qū)體溶解并發(fā)生沉淀、結(jié)晶等過(guò)程，最終得到目標(biāo)產(chǎn)物。優(yōu)點(diǎn)：可在相對(duì)溫和的氣氛下合成；易于控制反應(yīng)條件（溫度、壓力、時(shí)間），獲得純相、細(xì)小晶粒、高比表面積或特定形貌的產(chǎn)物；適合合成一些在常壓下難以合成的材料。2.能帶結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體材料內(nèi)部存在允許電子存在和運(yùn)動(dòng)的能量區(qū)間（能帶），被禁戒的能量區(qū)域（禁帶寬度Eg）隔開(kāi)。光生電子-空穴對(duì)：當(dāng)半導(dǎo)體吸收能量大于禁帶寬度Eg的光子時(shí)，光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量，電子躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下一個(gè)空穴，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。3.XPS利用X射線作為激發(fā)源，分析樣品表面受激發(fā)射出的特征電子能譜，從而獲得樣品表面元素的種類(lèi)、化學(xué)態(tài)（即元素結(jié)合能級(jí)）及相對(duì)含量信息。它可以直接提供光催化劑表面元素組成及各元素的氧化態(tài)、價(jià)態(tài)等詳細(xì)信息，對(duì)于理解表面活性位點(diǎn)、表面吸附物相互作用及催化機(jī)理至關(guān)重要。4.主要因素：光照強(qiáng)度和波長(zhǎng)（決定了驅(qū)動(dòng)光生載流子產(chǎn)生的能量）；催化劑本身的性質(zhì)（如能帶結(jié)構(gòu)、光吸收范圍、比表面積、形貌、活性位點(diǎn)數(shù)量等）；反應(yīng)物濃度和性質(zhì)；溶液pH值；溫度；是否存在助催化劑或抑制劑等。5.量子效率（QE）：指在特定光照條件下，每吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的有效光化學(xué)反應(yīng)事件（如電子轉(zhuǎn)移、分子轉(zhuǎn)化等）的次數(shù)。數(shù)值大小反映了光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率，QE越高，說(shuō)明催化劑利用光能的效率越高，光催化性能越好。6.潛在應(yīng)用價(jià)值：利用光催化劑在光照條件下，將大氣或工業(yè)排放中的CO?轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇、碳酸酯等高附加值的化學(xué)品或燃料，實(shí)現(xiàn)CO?的資源化利用，有助于緩解溫室效應(yīng)和能源危機(jī)。四、論述題（每題10分，共40分）1.水熱法：利用高壓釜在高溫高壓水溶液或含水溶劑環(huán)境中合成。原理是高溫高壓促進(jìn)前驅(qū)體溶解、反應(yīng)物擴(kuò)散和原子重排，最終結(jié)晶成目標(biāo)產(chǎn)物。優(yōu)點(diǎn)：合成溫度相對(duì)較低（溶劑熱）；易于控制產(chǎn)物晶相、尺寸、形貌；可合成本地在常壓下難以合成的材料；設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：可能存在溶劑殘留；反應(yīng)條件控制要求高；對(duì)于某些產(chǎn)物可能存在相變問(wèn)題。溶膠-凝膠法：通過(guò)金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽等前驅(qū)體在溶液中經(jīng)過(guò)水解、縮聚等反應(yīng)形成溶膠，再經(jīng)過(guò)干燥、熱處理得到凝膠或直接得到無(wú)定形或晶態(tài)固體。原理是前驅(qū)體在溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成納米顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：合成溫度低；工藝靈活，易于制備復(fù)合材料；產(chǎn)物均勻、純度高。缺點(diǎn)：可能引入有機(jī)物殘留；前驅(qū)體成本較高；產(chǎn)物孔結(jié)構(gòu)可能受限。適用范圍：水熱法更適用于合成氧化物、硫化物等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，特別是需要特定晶相或形貌的催化劑；溶膠-凝膠法更適用于合成玻璃態(tài)、無(wú)定形或晶態(tài)硅酸鹽、鋁酸鹽等，以及制備陶瓷前驅(qū)體或復(fù)合材料。2.提高光催化活性可通過(guò)調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：首先，催化劑需具有合適的禁帶寬度，能有效吸收目標(biāo)光源（如可見(jiàn)光）。其次，要降低光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合速率。這可以通過(guò)調(diào)節(jié)能帶位置來(lái)實(shí)現(xiàn)：①構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，利用不同半導(dǎo)體的能帶偏移，形成內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)光生電子和空穴的分離，延長(zhǎng)其壽命并引導(dǎo)其遷移到表面參與反應(yīng)。②摻雜或表面修飾，引入雜質(zhì)能級(jí)（如缺陷態(tài)），可以調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)位置，改善電荷分離；或引入助催化劑，為光生載流子提供轉(zhuǎn)移通道。③精確調(diào)控半導(dǎo)體的能帶位置（如通過(guò)元素?fù)诫s），使其更接近反應(yīng)所需的電勢(shì)，提高表面氧化還原反應(yīng)的效率。最終目標(biāo)是產(chǎn)生更多壽命更長(zhǎng)的光生載流子，并使其高效地參與催化反應(yīng)。3.表征技術(shù)在光催化研究中的重要作用：①X射線衍射（XRD）：用于確定光催化劑的晶相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和物相純度。晶相結(jié)構(gòu)影響其能帶結(jié)構(gòu)和表面活性位點(diǎn)；晶粒尺寸影響比表面積和電荷遷移速率；物相純度關(guān)系到實(shí)際活性組分。②紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）：用于測(cè)定光催化劑的光吸收范圍，判斷其能否有效吸收可見(jiàn)光，以及估算其禁帶寬度。光吸收范圍決定了催化劑可利用的光譜范圍，禁帶寬度影響其產(chǎn)生光生載流子的能力。③掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）：用于觀察光催化劑的微觀形貌（如顆粒大小、形狀、分散性、孔結(jié)構(gòu)等）。形貌和尺寸影響比表面積、光散射和電荷傳輸路徑，進(jìn)而影響催化活性。④傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：用于分析光催化劑表面的化學(xué)鍵和官能團(tuán)，以及吸附在表面的反應(yīng)物或中間體。這有助于理解表面活性位點(diǎn)、吸附機(jī)理和催化反應(yīng)路徑。⑤X射線光電子能譜（XPS）：用于分析光催化劑表面的元素組成（定量）和化學(xué)態(tài)（定性），即元素的價(jià)態(tài)和結(jié)合能。了解表面元素組成和價(jià)態(tài)有助于判斷活性位點(diǎn)、表面氧化還原性質(zhì)以及反應(yīng)過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移情況。⑥比表面積及孔徑分析（如BET）：測(cè)定光催化劑的比表面積和孔結(jié)構(gòu)。高比表面積通常意味著更多的活性位點(diǎn)，有利于提高催化活性。這些表征手段綜合起來(lái)，可以全面分析光催化劑的結(jié)構(gòu)、組成、形貌和光學(xué)性質(zhì)，為理解其光催化性能提供關(guān)鍵信息，并指導(dǎo)催化劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.提高光催化劑穩(wěn)定性的重要性和挑戰(zhàn)：重要性：光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中需要長(zhǎng)期在光照、水、化學(xué)環(huán)境（氧化還原、酸堿）等條件下穩(wěn)定工作，如果結(jié)構(gòu)、組成或性能發(fā)生劣變（如晶粒長(zhǎng)大、相變、表面活性位點(diǎn)失活、粉化等），將嚴(yán)重影響其使用壽命和應(yīng)用效果。因此，提高穩(wěn)定性是光催化劑走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。挑戰(zhàn)：主要挑戰(zhàn)在于光腐蝕（光生載流子或活性氧攻擊催化劑自身）、化學(xué)腐蝕（環(huán)境介質(zhì)中的酸堿或氧化還原物質(zhì)攻擊）、熱穩(wěn)定性不足（高溫下結(jié)構(gòu)或性能變化）、機(jī)械穩(wěn)定性差（磨損、破碎）、循環(huán)使用時(shí)的性能衰減等。提高策略：①合成