2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——超分子納米材料的設(shè)計與制備考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪一項不是構(gòu)成超分子結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動力？A.氫鍵作用B.共價鍵鍵能C.π-π堆積相互作用D.靜電相互作用2.超分子組裝體區(qū)別于普通分子化合物的主要特征是：A.分子量更大B.具有特定的、自下而上的層級結(jié)構(gòu)C.通常在溶液中形成D.化學(xué)鍵更穩(wěn)定3.在納米材料的各種尺度效應(yīng)中，與量子尺寸效應(yīng)密切相關(guān)的是：A.表面效應(yīng)B.宏觀量子隧道效應(yīng)C.小尺寸效應(yīng)D.范德華力4.溶膠-凝膠法常用于制備哪種類型的納米材料？A.金屬納米顆粒B.碳納米管C.量子點D.硅基納米薄膜5.利用生物分子（如蛋白質(zhì)、DNA）作為模板來合成或修飾納米材料，這主要體現(xiàn)了超分子化學(xué)的：A.分子識別特性B.自組裝能力C.對稱性原理D.儲能特性6.下列哪種方法通常被認(rèn)為是一種綠色、低溫、溶液相的納米材料制備技術(shù)，尤其適用于濕化學(xué)環(huán)境？A.高溫高壓氣相沉積B.溶膠-凝膠法C.離子束濺射D.化學(xué)氣相沉積7.膠束的形成主要利用了表面活性劑分子的：A.離子交換能力B.在特定溶劑中的聚集傾向C.發(fā)光特性D.吸附性8.超分子納米材料在催化領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢可能包括：A.催化活性高且可調(diào)B.選擇性好C.易于回收和重復(fù)使用D.以上都是9.將超分子組裝體作為“分子工廠”或模板，用于精確合成或控制納米結(jié)構(gòu)尺寸和形貌，這屬于：A.識別作用的應(yīng)用B.自組裝的應(yīng)用C.模板效應(yīng)的應(yīng)用D.超分子光化學(xué)的應(yīng)用10.從資源化學(xué)的角度看，開發(fā)利用天然高分子或生物質(zhì)資源制備超分子納米材料，其重要意義在于：A.降低成本B.提高材料性能C.實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展D.擴(kuò)大材料種類二、填空題（每空2分，共20分）1.超分子化學(xué)的核心在于利用______作用來構(gòu)建具有特定功能的分子聚集體。2.納米材料的“小尺寸效應(yīng)”使其許多性質(zhì)與體相材料相比表現(xiàn)出顯著的______。3.水熱法通常在______和______條件下進(jìn)行，能夠促進(jìn)許多難溶物質(zhì)的合成和晶體生長。4.基于大分子或天然產(chǎn)物（如葉綠素）的超分子納米復(fù)合材料，常常結(jié)合了______材料的生物相容性和______材料的特殊性能。5.π-π相互作用在超分子組裝中起著重要作用，尤其是在形成______結(jié)構(gòu)和調(diào)控______方面。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述氫鍵在超分子組裝過程中的作用及其重要性。2.與傳統(tǒng)的納米材料制備方法相比，利用自組裝技術(shù)制備納米材料的主要優(yōu)勢有哪些？3.請列舉三種利用超分子化學(xué)原理設(shè)計的具有特定功能的納米材料，并簡述其設(shè)計思路。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子識別原理如何在超分子納米材料的設(shè)計與制備中發(fā)揮作用？請結(jié)合具體實例說明。2.結(jié)合資源化學(xué)專業(yè)的背景，探討超分子納米材料在資源高效利用或環(huán)境友好技術(shù)方面具有的潛在應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)。五、實驗設(shè)計題（15分）設(shè)計一個簡單的實驗方案，利用水熱法合成一種基于金屬離子與有機(jī)配體形成的超分子納米結(jié)構(gòu)（例如某種類型的金屬有機(jī)框架MOF的納米顆粒或微晶），請說明實驗?zāi)康?、所需主要試劑與儀器、簡要的實驗步驟以及預(yù)期觀察到的現(xiàn)象和產(chǎn)物性質(zhì)。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.D5.A6.B7.B8.D9.C10.C二、填空題1.非共價鍵2.異常3.高溫高壓4.生物相容性特殊性能5.π-π堆積納米材料的性質(zhì)（或結(jié)構(gòu)、功能）三、簡答題1.解析思路：氫鍵是一種相對較強(qiáng)的分子間作用力，具有方向性和飽和性。在超分子組裝中，氫鍵可以作為主要的驅(qū)動力或連接單元，連接相對獨立的大分子或小分子，形成一維（鏈、帶）、二維（層、片）或三維的有序結(jié)構(gòu)。其重要性在于：①提供了組裝的驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)方向性；②可以通過調(diào)節(jié)氫鍵強(qiáng)度和數(shù)量來調(diào)控組裝體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；③氫鍵對溶劑等因素敏感，可用于制備對環(huán)境響應(yīng)的智能組裝體。2.解析思路：自組裝技術(shù)利用分子或納米單元自身的相互作用（如非共價鍵）自發(fā)地形成有序結(jié)構(gòu)，無需外部精密的干預(yù)。相比傳統(tǒng)的納米材料制備方法（如物理氣相沉積、刻蝕等），自組裝技術(shù)的優(yōu)勢在于：①簡便、成本較低；②通常在溶液或液-液界面進(jìn)行，環(huán)境友好；③易于實現(xiàn)多組分、多功能復(fù)合；④可用于制備尺寸均一、結(jié)構(gòu)精細(xì)的納米材料，特別是在制備二維材料、核殼結(jié)構(gòu)、超晶格等方面具有獨特優(yōu)勢。3.解析思路：列舉實例并說明設(shè)計思路即可。例如：*功能化膠束：設(shè)計思路是利用嵌段共聚物的自組裝行為，將具有特定功能（如藥物負(fù)載、靶向、光響應(yīng)）的分子作為親水或疏水鏈段引入聚合物，通過調(diào)控嵌段組成和比例，自組裝形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的膠束，藥物分子被包載在內(nèi)核或殼層中。*基于DNA的納米結(jié)構(gòu)：設(shè)計思路是利用DNA堿基配對的特異性（A-T,G-C），設(shè)計短鏈寡核苷酸，使其通過Watson-Crick配對或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如hairpin,tetraplex）自組裝成預(yù)定的一維（鏈、環(huán)）、二維（片）或三維（晶體）納米結(jié)構(gòu)，可用于模擬分子機(jī)器或作為生物傳感器的信號分子。*MOF納米顆粒：設(shè)計思路是選擇合適的金屬離子和有機(jī)配體，利用溶劑熱或水熱條件，在分子水平上自下而上地組裝形成金屬有機(jī)框架（MOF），通過控制反應(yīng)條件（溫度、壓力、時間、濃度），可以制備出具有特定孔道結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌的MOF納米顆?；蛭⒕?，用于氣體存儲、分離或催化。四、論述題1.解析思路：論述題需系統(tǒng)闡述。首先明確分子識別是超分子化學(xué)的核心，指分子間通過特定的非共價鍵相互識別，形成具有確定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合物。在超分子納米材料設(shè)計中，利用分子識別原理意味著：①選擇具有特定識別位點的分子（如配體、模板分子）來與目標(biāo)納米單元（如金屬離子、納米晶、單體分子）相互作用；②通過識別作用，可以實現(xiàn)對納米單元的精確捕獲、定位、組裝，從而控制最終納米材料的大小、形狀、組成和空間排布；③識別作用還可以用于構(gòu)建具有特定功能的超分子納米復(fù)合材料，例如利用生物分子識別特定靶標(biāo)，實現(xiàn)靶向遞送或傳感；④通過引入具有識別功能的“腳手架”或“連接體”，可以將不同的納米單元有效地連接起來，形成復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)。結(jié)合實例說明，如利用配體分子識別金屬離子形成配位超分子，再通過該超分子模板控制納米晶的生長；或利用抗體識別抗原，構(gòu)建免疫納米復(fù)合物等。2.解析思路：論述題需結(jié)合專業(yè)背景。首先闡述超分子納米材料的特性（如結(jié)構(gòu)可設(shè)計、功能多樣、界面活性高等）如何適用于資源化學(xué)領(lǐng)域的需求。應(yīng)用前景可包括：①資源提取與富集：設(shè)計具有特定孔隙結(jié)構(gòu)或表面化學(xué)性質(zhì)的超分子納米吸附劑，用于高效吸附和富集稀有金屬、稀土元素或環(huán)境污染物；②催化轉(zhuǎn)化：利用超分子組裝構(gòu)建多相催化體系，或設(shè)計具有高選擇性和活性的均相超分子催化劑，用于資源的化學(xué)轉(zhuǎn)化（如水的裂解制氫、CO2還原、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等）；③能源存儲與利用：開發(fā)基于超分子納米材料的高性能電化學(xué)儲能器件（如電池、超級電容器）電極材料，或利用其光催化性能進(jìn)行太陽能利用；④環(huán)境修復(fù)：設(shè)計智能響應(yīng)型超分子納米材料，用于污染物的檢測、固定和降解。同時，也要分析面臨的挑戰(zhàn)，如：①如何實現(xiàn)超分子納米材料的大規(guī)模、低成本、綠色化制備，符合資源化學(xué)可持續(xù)發(fā)展的要求；②如何提高材料的穩(wěn)定性，使其在復(fù)雜的多相反應(yīng)體系中保持結(jié)構(gòu)和功能的持久性；③如何深入理解構(gòu)效關(guān)系，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的材料設(shè)計和性能調(diào)控；④如何解決實際應(yīng)用中的分離回收和環(huán)境影響問題。五、實驗設(shè)計題解析思路：設(shè)計題需包含實驗?zāi)康?、主要試劑儀器、步驟、預(yù)期現(xiàn)象和產(chǎn)物性質(zhì)。實驗?zāi)康囊鞔_合成目標(biāo)（某種超分子納米結(jié)構(gòu)）和利用的技術(shù)（水熱法）。試劑儀器要列出關(guān)鍵物質(zhì)（如特定金屬鹽、有機(jī)配體、溶劑）和反應(yīng)設(shè)備（如反應(yīng)釜、烘箱/馬弗爐、磁力攪拌器等）。步驟要詳細(xì)描述操作流程：①配制前驅(qū)體溶液：按比例稱取金屬鹽和有機(jī)配體，溶于適量的溶劑（通常是水或水/乙醇混合物）中，可能需要調(diào)節(jié)pH值；②混合與轉(zhuǎn)移：將配制好的前驅(qū)體溶液混合均勻，轉(zhuǎn)入潔凈的水熱反應(yīng)釜中；③水熱反應(yīng)：密封反應(yīng)釜，設(shè)置合適的溫度（通常高于100°C）和壓力，在烘箱或馬弗