2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——化學合成技術對新材料研究的推動考試時間：______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答題紙上。）1.下列哪項不是綠色化學合成理念的核心要求？A.提高原子經(jīng)濟性B.減少有害物質(zhì)使用和產(chǎn)生C.優(yōu)先選用高效、選擇性催化劑D.增加合成步驟以提高產(chǎn)率2.在制備納米二氧化鈦（TiO?）薄膜時，若希望獲得更致密的薄膜，通常需要調(diào)整的主要合成參數(shù)是？A.提高溶液pH值B.延長沉積時間C.降低沉積溫度D.增大前驅(qū)體濃度3.溶膠-凝膠法主要用于制備哪種類型的材料？A.金屬單質(zhì)B.純凈無機鹽C.陶瓷和玻璃D.有機高分子聚合物4.金屬有機框架（MOFs）材料的合成通常需要在哪種環(huán)境下進行？A.高真空B.高壓釜（水熱/溶劑熱）C.常壓空氣D.強堿性環(huán)境5.化學氣相沉積（CVD）技術制備薄膜的主要優(yōu)勢之一是？A.成本極低B.可大面積均勻沉積C.只能沉積單一元素薄膜D.必須使用液態(tài)前驅(qū)體6.自組裝技術在材料合成中的應用主要體現(xiàn)在？A.通過精確控制分子間作用力構建有序結(jié)構B.利用高溫高壓促進晶體生長C.通過化學鍵斷裂重組原子D.依賴強酸或強堿催化7.微流控合成技術的主要優(yōu)勢在于？A.可制備塊狀大尺寸材料B.能夠?qū)崿F(xiàn)反應條件的精確控制和高度并行化C.設備簡單，成本低廉D.適用于所有類型的合成反應8.對于制備具有特定光學性能（如高量子產(chǎn)率）的量子點材料，合成過程中的關鍵控制因素通常是？A.反應溫度B.前驅(qū)體配比C.溶劑種類D.以上所有9.下列哪種合成方法特別適用于制備具有高比表面積和開放孔道的多孔材料？A.氣相沉積法B.溶膠-凝膠法C.水熱/溶劑熱法D.原位聚合法10.在將化學合成技術從實驗室研究推向工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)時，面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.合成產(chǎn)率通常較低B.難以精確控制材料微觀結(jié)構C.成本過高，能耗過大D.安全性問題難以解決二、簡答題（每小題5分，共25分。請將答案寫在答題紙上。）1.簡述水熱合成法的基本原理及其至少兩個顯著優(yōu)點。2.解釋原子經(jīng)濟性的概念，并舉例說明如何提高化學反應的原子經(jīng)濟性。3.比較液相合成法和氣相合成法在制備納米材料時在反應條件、產(chǎn)物純度、可控性等方面的主要區(qū)別。4.簡述綠色化學合成對化學合成技術提出的主要要求。5.闡述化學合成技術在推動二維材料研究方面所起的作用。三、論述題（每小題10分，共30分。請將答案寫在答題紙上。）1.以金屬有機框架（MOFs）材料為例，詳細論述合成條件（如前驅(qū)體種類、溶劑、溫度、壓力、添加劑等）對其結(jié)構（孔道尺寸、拓撲結(jié)構、比表面積）和性能（如吸附性能、催化活性）的影響。2.結(jié)合具體實例，論述化學合成技術在開發(fā)新型催化材料方面的作用和面臨的挑戰(zhàn)。3.討論化學合成技術（特別是新興合成技術）在未來可持續(xù)發(fā)展和新材料研究中的發(fā)展趨勢和重要性。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.D2.C3.C4.B5.B6.A7.B8.D9.C10.C二、簡答題（每小題5分，共25分。）1.基本原理：在密閉的高壓釜中，將反應物置于溶劑（或無溶劑）中，在一定溫度（通常高于溶劑的沸點）和壓力下進行化學反應。高壓和高溫可以使通常在常壓常溫下難以進行或反應速率很慢的反應得以發(fā)生。優(yōu)點：*提供獨特的、在常壓常溫下難以實現(xiàn)的反應環(huán)境（高溫高壓），可以合成常規(guī)方法難以制備的材料，或使反應更易于進行。*高溫高壓有利于晶體的成核與生長，可能獲得純度高、晶粒細小、結(jié)構特殊的材料。*密閉系統(tǒng)可防止反應物或產(chǎn)物與空氣中的組分（如氧氣、水）反應，提高產(chǎn)率和純度。2.概念：原子經(jīng)濟性是指反應中投入的原料原子有多少百分比最終轉(zhuǎn)化成了期望的產(chǎn)物。它衡量的是一個化學反應的效率，理想情況下原子經(jīng)濟性為100%，即所有原子都被納入目標產(chǎn)物，沒有或很少產(chǎn)生副產(chǎn)物。提高方法舉例：*選擇催化加氫或催化脫氫等選擇性高的反應，避免不必要的副反應。*設計并使用能夠促使反應向目標產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的不對稱催化方法，實現(xiàn)立體選擇性。*采用原子經(jīng)濟性更高的合成路線，如從簡單前驅(qū)體出發(fā)，通過多步高效轉(zhuǎn)化直接得到目標分子，減少中間體的分離和廢棄。3.區(qū)別：*反應條件：液相合成在液體介質(zhì)中進行，溫度和壓力相對溫和，通常在常壓或稍加壓強下進行；氣相合成在氣相中進行，通常需要較高的溫度和真空或低壓環(huán)境，以使反應物氣化并維持氣相反應。*產(chǎn)物純度：液相合成產(chǎn)物可能需要額外的純化步驟（如萃取、重結(jié)晶）去除溶劑和副產(chǎn)物；氣相合成產(chǎn)物純度通常較高，易于得到高純度的固態(tài)薄膜或粉末。*可控性：液相合成對納米材料的尺寸、形貌控制較好，易于通過調(diào)節(jié)溶液參數(shù)實現(xiàn)；氣相合成在生長均勻性、大面積制備方面有優(yōu)勢，但對初始形貌的控制相對困難。4.主要要求：*原子經(jīng)濟性高：盡可能使所有投入原子都轉(zhuǎn)化到目標產(chǎn)物中。*減少有害物質(zhì)：選用無毒、低毒的原料和溶劑，避免產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物。*高效節(jié)能：采用能量效率高的合成路線和設備，降低能耗。*環(huán)境友好：優(yōu)先選擇可生物降解的溶劑，減少廢棄物排放，實現(xiàn)過程工業(yè)化封閉循環(huán)。*高選擇性：化學反應具有高化學選擇性和區(qū)域選擇性、立體選擇性，減少副反應。*可再生原料：盡可能使用可再生資源作為原料。5.作用：*結(jié)構精確控制：化學合成技術能夠精確控制二維材料的厚度（單層或少層）、原子排列順序、缺陷類型和密度，這是制備具有特定物理性質(zhì)的二維材料的基礎。*多功能集成：通過合成方法，可以在二維材料中引入特定的元素進行摻雜，或構筑復合結(jié)構，實現(xiàn)多功能集成（如導電-半導體雜化、磁性-光電耦合）。*新種類發(fā)現(xiàn)：化學合成是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新型二維材料（如過渡金屬硫化物TMDs、黑磷烯、新型雜化二維材料等）的重要手段。*性能調(diào)控：合成過程中的參數(shù)（如前驅(qū)體、溫度、壓力、催化劑）可以用來調(diào)控二維材料的電子能帶結(jié)構、光學性質(zhì)、力學性能等，以滿足不同應用需求。*器件制備基礎：合成得到的二維材料薄膜或納米片是制備各類二維材料器件（如晶體管、傳感器、光電器件）的關鍵startingmaterial。三、論述題（每小題10分，共30分。）1.合成條件對MOFs結(jié)構性能的影響是多方面且關鍵的。*前驅(qū)體種類：金屬離子或團簇的種類直接影響節(jié)點的大小和連接方式，進而決定MOFs的拓撲結(jié)構（如MOF-5為立方孔道，MOF-5-NH?在節(jié)點上引入氨基，形成更豐富的孔道環(huán)境）。有機配體的結(jié)構（長度、剛性、官能團）則決定了連接基團的類型和方向，影響孔道的尺寸、形狀和化學環(huán)境。*溶劑：溶劑的極性、粘度、配位能力等會影響配體的溶解度、金屬離子的溶解度以及配體與金屬離子的配位速率和配位模式，從而影響MOFs的結(jié)晶度、晶粒大小和孔道結(jié)構。例如，極性溶劑可能促進配體的配位，影響孔道開放性。*溫度：溫度影響反應速率和成核過程。較低溫度下通常有利于形成較大的晶粒和有序結(jié)構，但反應速率慢；較高溫度下反應速率快，但可能導致結(jié)晶度下降或產(chǎn)生缺陷。溶劑的沸點也與反應溫度密切相關。*壓力：對于氣態(tài)前驅(qū)體或在水熱條件下，壓力是重要因素。壓力可以影響氣體的溶解度、配體的分子形態(tài)以及反應平衡，進而影響MOFs的結(jié)構。例如，高壓有時可以促進形成更緊密的結(jié)構。*添加劑：添加劑（如配位體、非配位溶劑、模板劑）可以調(diào)控MOFs的結(jié)晶過程，影響孔道尺寸和孔隙率。例如，使用模板劑可以引導形成特定的孔道結(jié)構或打開原本封閉的孔道。*性能關聯(lián)：結(jié)構上的差異直接導致性能的不同。例如，孔道尺寸和孔隙率決定了MOFs的比表面積和吸附能力；孔道的化學環(huán)境（由配體決定）影響了MOFs的催化活性、光響應性、電學性質(zhì)等。通過精確調(diào)控合成條件，可以制備出具有特定結(jié)構和性能的MOFs材料，以滿足氣體儲存、分離、催化等應用需求。2.化學合成技術在開發(fā)新型催化材料方面起著核心作用。*合成新催化劑：化學合成是創(chuàng)造具有新穎結(jié)構和組成的新型催化材料的主要手段。例如，通過水熱/溶劑熱法可以合成具有高比表面積、特殊孔道結(jié)構或多級結(jié)構的金屬氧化物、硫化物、氮化物等催化劑；通過溶膠-凝膠法可以制備均一的金屬氧化物催化劑；通過自組裝或模板法可以構筑具有特定原子排列或孔道結(jié)構的催化材料。*調(diào)控催化劑結(jié)構：合成技術允許精確調(diào)控催化劑的納米尺寸（如納米顆粒、納米線、納米管）、形貌（如立方體、八面體、片狀）、組成（如單金屬、合金、核殼結(jié)構）、表面化學狀態(tài)（如表面官能團、缺陷）等，這些因素對催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性和壽命有決定性影響。*實現(xiàn)結(jié)構-活性關系研究：通過合成獲得一系列具有梯度結(jié)構或特定缺陷的催化劑，結(jié)合表征手段，可以系統(tǒng)地研究催化劑的結(jié)構特征（如活性位點種類、數(shù)量、電子結(jié)構）與其催化性能之間的關系，為理性設計高效催化劑提供依據(jù)。*面臨的挑戰(zhàn)：盡管合成技術發(fā)展迅速，但仍面臨挑戰(zhàn)，如：如何精確控制催化活性位點的種類和數(shù)量；如何提高催化劑在實際反應條件下的穩(wěn)定性和抗中毒能力；如何實現(xiàn)催化劑的規(guī)模化制備與成本控制；如何將合成得到的催化劑與反應器高效集成等。3.化學合成技術在未來可持續(xù)發(fā)展和新材料研究中的發(fā)展趨勢和重要性日益凸顯。*推動綠色化學進程：發(fā)展原子經(jīng)濟性高、溶劑使用少、能耗低、廢棄物少的綠色合成方法（如微波合成、超聲波合成、光化學合成、固相合成、可回收溶劑體系等）是重要趨勢，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。*支撐新能源材料研發(fā)：化學合成是制備高效電池電極材料（如鋰離子電池的正負極材料、鈉離子電池材料）、太陽能電池材料（如鈣鈦礦、有機光伏材料）、燃料電池催化劑（如鉑基或非鉑基催化劑）、儲氫材料、二氧化碳轉(zhuǎn)化利用材料等的關鍵技術，對能源轉(zhuǎn)型至關重要。*賦能生物醫(yī)用材料創(chuàng)新：合成技術可以制備具有特定尺寸、形貌、表面修飾和降解行為的生物相容性材料，用于藥物遞送、組織工程支架、生物傳感器、體內(nèi)成像等。*促進信息材料發(fā)展：新型存儲材料、顯示材料、傳感器材料的開發(fā)離不開先進