2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——光催化納米材料的制備及應(yīng)用考試時(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.對(duì)于半導(dǎo)體光催化劑，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光響應(yīng)的主要途徑之一是（）。A.增大半導(dǎo)體的帶隙寬度B.提高光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率C.引入本征能級(jí)或缺陷D.降低半導(dǎo)體的載流子遷移率2.水熱/溶劑熱法在光催化材料制備中的主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.操作簡(jiǎn)單，成本低廉B.易于獲得高純度、均勻分布的納米顆粒C.可在低溫下進(jìn)行反應(yīng)D.適用于所有類型的無(wú)機(jī)和有機(jī)材料3.下列哪種方法通常不用于制備一維納米結(jié)構(gòu)（如納米線、納米管）？（）A.模板法B.微乳液法C.溶膠-凝膠法D.激光誘導(dǎo)法4.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析光催化材料的（）。A.表面元素組成B.微觀形貌和尺寸C.晶體結(jié)構(gòu)和物相組成D.光學(xué)吸收特性5.在光催化降解有機(jī)污染物過(guò)程中，催化劑表面活性位點(diǎn)發(fā)揮的作用是（）。A.吸附污染物B.傳遞光能C.分解污染物D.以上都是6.影響光生電荷分離效率的關(guān)鍵因素之一是（）。A.半導(dǎo)體的禁帶寬度B.能帶邊位置C.載流子的產(chǎn)生速率D.催化劑的比表面積7.光催化氧化反應(yīng)通常涉及（）。A.氧化還原過(guò)程B.酸堿過(guò)程C.沉淀溶解過(guò)程D.升華過(guò)程8.將兩種不同的半導(dǎo)體材料組合在一起形成異質(zhì)結(jié)，其主要目的是（）。A.增加材料的比表面積B.調(diào)寬半導(dǎo)體的能帶C.促進(jìn)光生電子和空穴的分離與傳輸D.改變材料的光吸收范圍9.在光解水制氫過(guò)程中，光催化劑需要滿足的條件之一是（）。A.具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，使光生空穴能氧化水或氫氧根，光生電子能還原水或水分子B.具有很寬的能帶寬度C.載流子遷移率非常低D.價(jià)格非常昂貴10.下列哪種技術(shù)不屬于光催化領(lǐng)域與人工智能交叉應(yīng)用范疇？（）A.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的催化劑結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系預(yù)測(cè)B.利用計(jì)算模擬優(yōu)化光催化反應(yīng)機(jī)理C.自動(dòng)化高通量光催化材料篩選平臺(tái)D.手工繪制光催化反應(yīng)的能量圖二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光催化反應(yīng)通常需要在______或______條件下進(jìn)行。2.溶膠-凝膠法是一種在______狀態(tài)下進(jìn)行溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化，最終形成凝膠和固體的制備方法。3.提高光催化材料可見(jiàn)光響應(yīng)能力的常用化學(xué)修飾手段包括______、______和______。4.光生電子-空穴對(duì)在空間上迅速分離是光催化高效進(jìn)行的關(guān)鍵，這主要依賴于半導(dǎo)體的______和______。5.光催化降解有機(jī)污染物通常涉及自由基（如______和______）的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程。6.將光催化劑負(fù)載在具有高比表面積和良好吸附性的材料上，可以顯著提高其______和______。7.光催化材料的比表面積越大，通常其______越好，有利于吸附反應(yīng)物和產(chǎn)生光生載流子。8.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析光催化材料的______和______。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.能帶結(jié)構(gòu)2.光生載流子3.界面工程4.可見(jiàn)光響應(yīng)5.光催化量子效率四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述水熱法制備光催化材料的一般步驟。2.為什么說(shuō)光催化材料的穩(wěn)定性（包括化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性）對(duì)其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要？3.簡(jiǎn)述異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)光催化性能提升的機(jī)理。4.在環(huán)境光催化應(yīng)用中，如何評(píng)價(jià)一個(gè)光催化材料的性能？五、論述題（每小題10分，共20分）1.論述光催化材料形貌（如粒徑、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)）對(duì)其光催化性能的影響。2.以光催化降解水中的某種有機(jī)污染物為例，簡(jiǎn)述其可能的反應(yīng)機(jī)理，并說(shuō)明提高其降解效率的幾個(gè)主要途徑。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（15分）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，用于比較二氧化鈦（TiO2）納米粉末和負(fù)載型TiO2（例如，負(fù)載在活性炭上）在可見(jiàn)光下降解亞甲基藍(lán)（MB）溶液的效率。請(qǐng)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所需的材料、主要步驟、需要測(cè)量的物理量以及如何分析比較兩者的催化性能。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.D6.B7.A8.C9.A10.D二、填空題1.可見(jiàn)光，紫外光2.液相3.摻雜，復(fù)合，表面修飾4.能帶位置，電荷分離與傳輸速率5.·OH，O??·6.催化活性，光利用率7.光催化活性8.元素組成，化學(xué)狀態(tài)（或表面元素化學(xué)價(jià)態(tài)）三、名詞解釋1.能帶結(jié)構(gòu)：指半導(dǎo)體材料中電子能量取值呈分帶狀分布的特征，由滿帶和導(dǎo)帶以及它們之間的禁帶寬度決定。2.光生載流子：半導(dǎo)體在光照下吸收能量后產(chǎn)生的電子和空穴對(duì)。3.界面工程：通過(guò)修飾半導(dǎo)體的表面或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等方式，調(diào)控其表面性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)或界面電荷轉(zhuǎn)移，以優(yōu)化光催化性能的技術(shù)。4.可見(jiàn)光響應(yīng)：光催化劑能夠利用可見(jiàn)光（通常指波長(zhǎng)大于420nm的光）來(lái)激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，從而進(jìn)行光催化反應(yīng)的能力。5.光催化量子效率：在單位光照射下，發(fā)生的光催化反應(yīng)的摩爾數(shù)（或產(chǎn)生的量子數(shù)）與吸收的光子數(shù)之比，衡量光能利用效率的指標(biāo)。四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述水熱法制備光催化材料的一般步驟。解析思路：水熱法是在高溫（通常高于100°C）和高壓（通常自生蒸汽壓）的密閉容器（反應(yīng)釜）中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制備材料的方法?；静襟E包括：將前驅(qū)體溶液（如金屬鹽、醇鹽、氧化物等）與反應(yīng)物（如水、溶劑、絡(luò)合劑等）混合，轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加熱至目標(biāo)溫度并保持一定時(shí)間，反應(yīng)完成后，冷卻反應(yīng)釜，取出產(chǎn)物，進(jìn)行后處理（如洗滌、干燥、煅燒等）。2.為什么說(shuō)光催化材料的穩(wěn)定性（包括化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性）對(duì)其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要？解析思路：光催化材料在實(shí)際應(yīng)用中需要長(zhǎng)期暴露在光照、反應(yīng)介質(zhì)（如水、空氣、化學(xué)試劑）以及可能的溫度變化等苛刻條件下?；瘜W(xué)穩(wěn)定性指材料在反應(yīng)環(huán)境中不發(fā)生化學(xué)分解、氧化還原反應(yīng)或結(jié)構(gòu)破壞。光穩(wěn)定性指材料在持續(xù)光照下不發(fā)生結(jié)構(gòu)、組成或光學(xué)性質(zhì)的顯著變化。如果材料穩(wěn)定性差，會(huì)在使用過(guò)程中逐漸失活、分解或性能衰減，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、高效的催化應(yīng)用，失去實(shí)用價(jià)值。3.簡(jiǎn)述異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)光催化性能提升的機(jī)理。解析思路：異質(zhì)結(jié)是由兩種能帶結(jié)構(gòu)不同的半導(dǎo)體組成。在異質(zhì)結(jié)界面處，由于功函數(shù)差異，會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)，將導(dǎo)帶電子推向一種半導(dǎo)體（n型或p型），將價(jià)帶空穴推向另一種半導(dǎo)體。這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)可以有效阻擋光生電子和空穴的復(fù)合，促進(jìn)它們的分離和向材料內(nèi)部或表面不同區(qū)域（如導(dǎo)體或催化劑表面）的傳輸，從而顯著提高光催化材料的量子效率和催化活性。4.在環(huán)境光催化應(yīng)用中，如何評(píng)價(jià)一個(gè)光催化材料的性能？解析思路：評(píng)價(jià)光催化材料性能通常需要綜合考慮多個(gè)因素。主要指標(biāo)包括：①光譜響應(yīng)范圍：材料能夠吸收利用的光的波長(zhǎng)范圍，特別是可見(jiàn)光響應(yīng)能力。②光催化活性：通常通過(guò)在特定波長(zhǎng)光照下，使用標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)污染物（如MB、RhB）作為探針，測(cè)定污染物降解率隨時(shí)間的變化來(lái)評(píng)價(jià)。③量子效率（QE）：衡量光能利用效率的指標(biāo)，是評(píng)價(jià)光催化性能的重要參數(shù)。④選擇性：對(duì)于多污染物環(huán)境，評(píng)價(jià)材料對(duì)目標(biāo)污染物的高效降解和對(duì)其他共存污染物的低影響或無(wú)影響能力。⑤穩(wěn)定性：包括化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，通過(guò)長(zhǎng)期光照或循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估。⑥反應(yīng)機(jī)理：分析反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的中間體和最終產(chǎn)物，理解光催化降解過(guò)程。⑦經(jīng)濟(jì)性和可重復(fù)使用性：考慮材料成本、制備工藝以及是否易于回收利用等實(shí)際應(yīng)用因素。五、論述題1.論述光催化材料形貌（如粒徑、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)）對(duì)其光催化性能的影響。解析思路：光催化材料的形貌，包括粒徑大小、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)（如孔徑大小、比表面積）等，對(duì)其性能有顯著影響。①粒徑：較小的粒徑通常具有更大的比表面積，為光生載流子的產(chǎn)生和反應(yīng)物/產(chǎn)物的吸附提供了更多位點(diǎn)，有利于提高催化活性。但過(guò)小的粒徑可能導(dǎo)致易團(tuán)聚、難回收，且電荷在內(nèi)部傳輸阻力增大。②比表面積：比表面積越大，單位質(zhì)量催化劑所提供的反應(yīng)活性位點(diǎn)越多，吸附能力越強(qiáng)，通常有利于提高催化活性。③孔隙結(jié)構(gòu)：發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)（如介孔、大孔）有利于反應(yīng)物分子擴(kuò)散進(jìn)入催化劑內(nèi)部，產(chǎn)物順利脫附，同時(shí)也能增加材料的比表面積和儲(chǔ)存活性位點(diǎn)。此外，合適的孔徑和孔道結(jié)構(gòu)有助于電荷的快速傳輸，減少?gòu)?fù)合。因此，通過(guò)調(diào)控形貌獲得高比表面積、合理孔隙結(jié)構(gòu)和適宜粒徑是提升光催化性能的關(guān)鍵策略。2.以光催化降解水中的某種有機(jī)污染物為例，簡(jiǎn)述其可能的反應(yīng)機(jī)理，并說(shuō)明提高其降解效率的幾個(gè)主要途徑。解析思路：以光催化降解水中的亞甲基藍(lán)（MB）為例，其典型的反應(yīng)機(jī)理（以TiO2為例）：①光照激發(fā)：TiO2吸收能量大于其禁帶寬度（Eg）的光子，產(chǎn)生光生電子（e?）躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)留下空穴（h?）留在價(jià)帶。②載流子分離與傳輸：光生電子和空穴具有向材料表面遷移并復(fù)合的傾向。內(nèi)建電場(chǎng)、表面缺陷、能量傳遞等過(guò)程有助于促進(jìn)載流子的分離和向表面?zhèn)鬏?。③表面反?yīng)：到達(dá)表面的光生電子和空穴參與表面氧化還原反應(yīng)。①h?+H?O→·OH+H?；②e?+O?→O??·。③·OH和O??·是強(qiáng)氧化性自由基，進(jìn)攻MB分子，通過(guò)一系列氧化還原步驟（如脫氫、加氧、斷鏈等），最終將MB礦化為CO?和H?O等無(wú)機(jī)小分子。提高M(jìn)B降解效率的途徑：①提高TiO2的光催化活性：如通過(guò)摻雜（N摻雜可擴(kuò)展可見(jiàn)光吸收）、復(fù)合（與CdS等窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光響應(yīng)和電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)）、貴金屬沉積（增強(qiáng)等離子體效應(yīng)和電荷分離）等手段。②延長(zhǎng)光生載流子的壽命：通過(guò)上述改性手段減少載流子復(fù)合。③增加反應(yīng)物（MB）在催化劑表面的吸附量：通過(guò)調(diào)控TiO2的形貌（如增大比表面積）和表面性質(zhì)（如引入酸性位點(diǎn)）來(lái)增強(qiáng)MB吸附。④優(yōu)化反應(yīng)條件：如選擇合適的光源（波長(zhǎng)、強(qiáng)度）、pH值、溫度等。六、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，用于比較二氧化鈦（TiO2）納米粉末和負(fù)載型TiO2（例如，負(fù)載在活性炭上）在可見(jiàn)光下降解亞甲基藍(lán)（MB）溶液的效率。請(qǐng)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所需的材料、主要步驟、需要測(cè)量的物理量以及如何分析比較兩者的催化性能。解析思路：該實(shí)驗(yàn)旨在比較不同形貌/負(fù)載的TiO2在相同條件下對(duì)MB的降解效率。材料：TiO2納米粉末（粉末A），負(fù)載型TiO2（如TiO2/AC，粉末B），亞甲基藍(lán)（MB）溶液（已知濃度），可見(jiàn)光源（如LED燈，固定波長(zhǎng)和功率），燒杯，磁力攪拌器，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，離心機(jī)（可選，用于分離催化劑）。主要步驟：1.配制系列MB溶液：配制一系列濃度遞變的MB溶液作為母液。2.反應(yīng)體系準(zhǔn)備：取等體積、等濃度（如20ppm）的MB溶液分別置于若干個(gè)燒杯中，每個(gè)燒杯加入等量（如0.1g）的TiO2粉末A或B。用磁力攪拌器攪拌，并置于可見(jiàn)光源下照射。設(shè)置空白對(duì)照組（僅含MB溶液和溶劑，無(wú)催化劑，無(wú)光照）和暗反應(yīng)對(duì)照組（含MB溶液、催化劑，無(wú)光照）。3.采樣與測(cè)量：在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)（如0,15,30,45,60分鐘），從每個(gè)燒杯中取出少量上清液，迅速用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定MB溶液在MB特征吸收波長(zhǎng)（約664nm）處的吸光度。記錄數(shù)據(jù)。4.重復(fù)實(shí)驗(yàn)：為保證結(jié)果可靠性，每個(gè)樣品點(diǎn)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)（如重復(fù)3次）。測(cè)量物理量：不同時(shí)間點(diǎn)下各樣品溶液在664nm處的吸光度。分析比較方法：1.計(jì)算降解率：根據(jù)吸光度值和空白對(duì)照組的吸光度（或初始濃度），計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)下MB的降解率=(1-A_t