2025年大學《資源化學》專業(yè)題庫——材料化學研究新方法探討考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.原位表征2.溶劑熱法3.X射線光電子能譜（XPS）4.分子束外延（MBE）5.密度泛函理論（DFT）二、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）在樣品要求上的主要區(qū)別。2.X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（XAFS）在研究材料局域結(jié)構(gòu)方面有哪些優(yōu)勢？3.比較溶膠-凝膠法和水熱法在制備陶瓷或玻璃材料時的主要特點和應用差異。4.在資源化學研究中，為何需要將材料表征技術(shù)與計算模擬方法相結(jié)合？三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)在分析礦物或催化劑結(jié)構(gòu)、組成及表面化學態(tài)方面的各自作用和應用場景。2.闡述原子層沉積（ALD）技術(shù)的基本原理及其在制備薄膜材料，特別是在資源化學領(lǐng)域（如功能涂層、薄膜電極）中的應用潛力。3.以一種具體的二次資源（如廢舊鋰離子電池、電子廢棄物）回收利用為例，設計一個包含材料制備、表征和性能評價的研究方案，說明需要采用哪些關(guān)鍵的研究方法，并闡述選擇這些方法的原因。試卷答案一、名詞解釋1.原位表征：指在接近實際反應條件或環(huán)境（如溫度、壓力、氣氛）下對材料進行表征的技術(shù)，能夠直接觀察和記錄材料在動態(tài)過程中的結(jié)構(gòu)、成分或性能變化。**解析思路：*考察對“原位”概念的理解，即在動態(tài)、接近真實使用條件下進行測量，與“非原位”（靜態(tài)、離線）相對。2.溶劑熱法：指在高溫（通常>100°C）和高壓（由溶劑自身蒸氣壓產(chǎn)生）的密閉容器中，利用溶劑及其溶液作為反應介質(zhì)來合成或處理材料的方法，特別適用于制備納米材料、薄膜和特殊晶型物質(zhì)。**解析思路：*關(guān)鍵在于理解“高溫高壓”和“溶劑作為介質(zhì)”這兩個特點，以及其常見的應用領(lǐng)域。3.X射線光電子能譜（XPS）：也稱電子能譜，是一種基于光電效應的分析技術(shù)，通過測量樣品表面被X射線激發(fā)出來的光電子的能量分布來定性定量化地分析樣品表面的元素組成、化學態(tài)（價態(tài)）和電子結(jié)構(gòu)。**解析思路：*核心是理解其物理原理（光電效應）、分析對象（表面）、分析內(nèi)容（元素組成、化學態(tài)）。4.分子束外延（MBE）：在超高真空條件下，將構(gòu)成薄膜的原子或分子束流直接噴射到加熱的基片上，通過精確控制束流能量和強度，使材料在原子層尺度上外延生長的一種技術(shù)，具有超凈、超快、可精確控制組分和結(jié)構(gòu)的特點。**解析思路：*關(guān)鍵在于理解其工作環(huán)境（超高真空）、生長方式（原子層尺度外延）、控制精度高以及典型應用（半導體、超晶格）。5.密度泛函理論（DFT）：是一種基于量子力學計算材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論方法，通過求解描述電子密度泛函的方程來獲得系統(tǒng)的基態(tài)性質(zhì)，如能量、結(jié)構(gòu)、電子態(tài)等，是計算模擬材料的重要工具。**解析思路：*核心是理解其基本思想（基于電子密度）、計算目標（基態(tài)性質(zhì)）以及其作為“計算模擬方法”的角色。二、簡答題1.STM可以直接成像物質(zhì)表面原子級別的拓撲結(jié)構(gòu)，對樣品要求極為苛刻，通常需要導電或半導電樣品，且表面需在超高真空和低溫下保持清潔和穩(wěn)定。AFM通過檢測探針與樣品表面之間的原子間力（范德華力或靜電力）來成像，對樣品的導電性沒有嚴格要求，幾乎適用于所有固體表面，包括絕緣體，且可在較寬的溫度和氣氛條件下進行。**解析思路：*比較兩種顯微鏡的核心區(qū)別在于探測原理（隧道電流vs原子間力）以及由此衍生的對樣品性質(zhì)（導電性、環(huán)境）的要求差異。2.XAFS具有元素特異性強、探測深度適中（納米級）、可提供關(guān)于原子局域環(huán)境（配位數(shù)、鍵長、對稱性）和化學態(tài)（價態(tài)）的詳細信息、對樣品量要求少等優(yōu)點，能夠揭示材料的精細結(jié)構(gòu)信息，如配位化學、價態(tài)變化、局部結(jié)構(gòu)畸變等，這些是常規(guī)XRD難以提供的。**解析思路：*重點突出XAFS相對于其他譜學方法（如XRD）在研究“局域結(jié)構(gòu)”和“化學態(tài)”方面的獨特優(yōu)勢。3.溶膠-凝膠法通常在室溫或較低溫度下進行，利用溶質(zhì)溶解、水解、縮聚形成凝膠，再經(jīng)干燥、熱處理得到固體材料，適用于制備玻璃、陶瓷、薄膜等，易于控制成分均勻性，可摻雜，但可能引入雜質(zhì)。水熱法在高溫高壓的溶液或熔融體系中反應，有利于生成亞穩(wěn)相、特殊晶型或納米結(jié)構(gòu)材料，晶粒尺寸小，純度高，但設備要求高，工藝控制復雜。**解析思路：*比較兩種制備方法在溫度、壓力、反應環(huán)境、典型產(chǎn)物、優(yōu)缺點（易控性、產(chǎn)物特性）等方面的主要不同。4.資源化學研究涉及復雜的材料體系（如礦石礦物多樣、反應過程復雜），僅靠實驗表征往往難以全面揭示其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、反應機理或指導新材料的理性設計。表征技術(shù)提供實驗觀測數(shù)據(jù)，而計算模擬能從原子/分子層面揭示內(nèi)在機制、預測性能、模擬無法直接實驗的條件。兩者結(jié)合可以相互印證、補充，實現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)、從經(jīng)驗到理論的深化，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)有資源的高效利用技術(shù)研發(fā)。**解析思路：*闡述結(jié)合的必要性，即實驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持，計算提供理論深度和預測能力，兩者結(jié)合能更全面、深入地解決資源化學中的復雜問題。三、論述題1.XRD主要用于分析材料的宏觀和微觀晶體結(jié)構(gòu)信息，如晶相組成、晶粒尺寸、晶格參數(shù)、微觀應變等，通過分析衍射峰的位置、強度和寬度可以獲得關(guān)于材料長程有序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。XPS則聚焦于材料表面（通常是幾納米深度）的化學信息，通過分析光電子結(jié)合能可以確定表面元素組成以及各元素的化學態(tài)（即元素的價態(tài)或氧化態(tài)、周圍的化學環(huán)境），揭示表面元素的種類、相對含量以及化學鍵合狀態(tài)。在資源化學研究中，例如分析礦石，XRD可用于鑒定礦物相、評估品位；XPS可用于分析礦物表面元素賦存狀態(tài)、吸附物種或催化劑表面活性位點及其化學態(tài)，兩者結(jié)合能更全面地了解材料的結(jié)構(gòu)與表面化學性質(zhì)。**解析思路：*分別闡述兩種技術(shù)的核心功能（XRD關(guān)注長程結(jié)構(gòu)，XPS關(guān)注表面化學態(tài)），然后結(jié)合資源化學的具體實例（礦石分析）說明它們各自的應用價值以及為何需要結(jié)合使用。2.原子層沉積（ALD）技術(shù)是一種基于自限制性表面化學反應的原子級精確薄膜沉積方法。其基本原理是利用兩種前驅(qū)體氣體脈沖交替通入反應腔，分別與基片表面發(fā)生化學吸附和表面反應，每次循環(huán)沉積一個或幾個原子層，通過精確控制脈沖時間和反應條件（溫度、壓力、氣氛），可以實現(xiàn)對薄膜厚度、組分、晶體結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。ALD具有沉積速率可控、成膜均勻、適用基片范圍廣（包括不規(guī)則形狀）、薄膜與基片結(jié)合牢固、純度高、可在較低溫度下沉積等優(yōu)點。在資源化學領(lǐng)域，ALD可用于制備功能涂層（如抗氧化、防腐涂層用于礦產(chǎn)資源開采設備），制備高性能薄膜電極材料（如用于鋰電池正負極、太陽能電池），制備納米結(jié)構(gòu)薄膜催化劑（如用于化工生產(chǎn)或環(huán)境污染治理），其原子級精度和優(yōu)異的成膜特性使其在這些應用中具有巨大潛力。**解析思路：*首先解釋ALD的基本工作循環(huán)原理，強調(diào)其原子級精度和可控制性。然后詳細列舉其在資源化學領(lǐng)域的主要應用方向（涂層、電極、催化劑），并簡述每個應用方向的價值和優(yōu)勢。3.研究方案設計示例（以廢舊鋰離子電池回收利用為例）：*研究目標：開發(fā)一種高效、環(huán)保的廢舊鋰離子電池回收技術(shù)，實現(xiàn)有價值金屬（如鋰、鈷、鎳、錳、銅、鋁）的高純度分離與提取。*關(guān)鍵研究方法及選擇原因：1.X射線熒光光譜（XRF）或ICP-OES/MS：用于快速、無損或微損地測定廢舊電池正負極材料、電解液、隔膜等主要組成部分的大致元素組成。*選擇原因：*提供整體元素信息，用于初步判斷回收潛力及制定初步分選策略。2.掃描電子顯微鏡（SEM）-能譜儀（EDS）：用于觀察廢舊電池材料的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)（如顆粒大小、分布、結(jié)合狀態(tài)）以及初步的微區(qū)元素分析。*選擇原因：*直觀了解材料物理特性，為后續(xù)物理分選（如磁選、浮選、渦流選礦）提供依據(jù)，并輔助判斷后續(xù)化學處理的切入點。3.X射線光電子能譜（XPS）：用于精確分析廢舊電池正負極材料表面元素組成和化學態(tài)（如確定鈷、鎳的價態(tài)，判斷是否形成合金或與碳材料結(jié)合）。*選擇原因：*深入了解元素的存在形式和化學結(jié)合狀態(tài)，對于指導后續(xù)選擇性溶解或浸出工藝至關(guān)重要，避免不必要的損失或污染。4.差示掃描量熱法（DSC）或熱重分析（TGA）：用于測定廢舊電池材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱分解溫度、含水量等熱物理性質(zhì)，評估其在不同溫度下的穩(wěn)定性。*選擇原因：*為后續(xù)的熱處理（如預處理、焙燒）提供工藝參數(shù)參考，確保處理過程的可控性和安全性。5.X射線衍射（XRD）：用于鑒定廢舊電池材料中的晶相組成（如鈷酸鋰LiCoO2、磷酸鐵鋰LiFePO4、石墨C等）。*選擇原因：*確定材料的晶體結(jié)構(gòu)，這對于選擇合適的物理分選方法（如選擇性破碎、研磨）和化學浸出溶劑/條件非常重要。6.電化學測試（可選）：對回收的活性材料進行電化學性能測試（如循環(huán)伏安、恒流充放電），評估其作為二次電池材料的性能。*選擇原因：*驗證回收材料的質(zhì)量和實用性。*研究方案概述：根據(jù)表征結(jié)果，制定包含物理分選（去除鐵皮、銅箔、鋁箔、隔膜等）和化學浸出（如酸浸、堿浸、選擇