2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)新材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題10分，共50分）1.請簡述碳納米管作為電極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用優(yōu)勢及其面臨的主要挑戰(zhàn)。2.闡述一種新興的光伏材料（如鈣鈦礦太陽能電池材料）的基本工作原理及其在推動可再生能源發(fā)展中的潛力。3.結(jié)合具體實例，說明化學(xué)新材料在工業(yè)廢水處理或空氣凈化方面的應(yīng)用技術(shù)及其關(guān)鍵考量因素。4.分析推動高性能催化劑（例如用于CO2轉(zhuǎn)化或燃料電池）研發(fā)的主要技術(shù)需求和市場驅(qū)動力。5.從資源可持續(xù)利用和環(huán)境保護的角度，討論發(fā)展可降解高分子材料的重要性和當(dāng)前面臨的技術(shù)瓶頸。二、論述題（每題20分，共80分）6.選擇當(dāng)前化學(xué)新材料領(lǐng)域的一個具體發(fā)展趨勢（例如固態(tài)電池技術(shù)、可編程材料、生物醫(yī)用材料的智能化等），深入分析其技術(shù)內(nèi)涵、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及可能帶來的深遠影響。7.以某種關(guān)鍵資源（如鋰、稀土元素）的提取、新材料制備及應(yīng)用為一個系統(tǒng)，論述如何通過化學(xué)新材料和先進技術(shù)實現(xiàn)該資源的高效、清潔、循環(huán)利用，并探討其中的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。8.結(jié)合全球能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)，論述化學(xué)新材料在發(fā)展新型儲能技術(shù)（如固態(tài)電池、氫能儲運材料、先進儲能電池）中的核心作用，并預(yù)測未來該領(lǐng)域可能出現(xiàn)的技術(shù)變革方向。9.探討化學(xué)新材料的應(yīng)用技術(shù)從實驗室研發(fā)走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用過程中，通常需要克服哪些共性難題（如成本控制、性能穩(wěn)定性、規(guī)?；a(chǎn)工藝、安全風(fēng)險評估等），并提出相應(yīng)的應(yīng)對策略。試卷答案一、簡答題1.答案：*應(yīng)用優(yōu)勢：*高導(dǎo)電性：碳納米管具有優(yōu)異的電子結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，電子遷移率極高，用作電極材料能顯著提升電池的充放電速率和循環(huán)性能。*高比表面積：提供豐富的活性位點，有利于鋰離子的嵌入和脫出，可能帶來更高的容量。*高機械強度和輕質(zhì)：碳納米管強度高、重量輕，有助于減輕電池重量，提高能量密度。*可加工性：易于通過化學(xué)氣相沉積等方法制備，并能與其他材料復(fù)合，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電極。*主要挑戰(zhàn)：*成本較高：大規(guī)模制備高質(zhì)量碳納米管的技術(shù)和成本仍有待降低。*電極制備困難：如何均勻地將碳納米管分散并形成穩(wěn)定、高導(dǎo)電性的電極結(jié)構(gòu)是技術(shù)難點。*活性物質(zhì)負載與傳輸：如何高效地將鋰源負載在碳納米管表面，并確保鋰離子在電極內(nèi)的快速傳輸，避免團聚和粉化。*循環(huán)壽命與穩(wěn)定性：在長期循環(huán)過程中，碳納米管可能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌或與電解液發(fā)生副反應(yīng)，影響電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。*安全性：在某些條件下，碳納米管可能存在燃爆風(fēng)險。2.答案：*基本工作原理：鈣鈦礦太陽能電池（以甲脒鈣鈦礦為例）通常由鈣鈦礦發(fā)件人層（ABX3結(jié)構(gòu)，A通常為有機陽離子，B為金屬陽離子，X為鹵素陰離子）、電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）組成。其工作原理基于內(nèi)建電場驅(qū)動的電荷分離。當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦層時，光子能量被吸收，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。內(nèi)建電場迅速將電子和空穴分別驅(qū)趕到電子傳輸層和空穴傳輸層，從而形成光電流。隨后，電子和空穴通過外電路到達電極，完成能量轉(zhuǎn)換。ETL和HTL的作用是有效地收集和傳輸電荷，減少電荷復(fù)合，提高器件效率。*潛力：鈣鈦礦材料具有光電轉(zhuǎn)換效率高（實驗室認證效率已達單結(jié)器件25%以上）、制備工藝相對簡單（如溶液法印刷）、成本較低、可柔性化制備等優(yōu)點。這些特點使其在推動低成本、高性能、輕量化、可穿戴式等可再生能源應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大潛力，有望加速太陽能發(fā)電的普及。3.答案：*應(yīng)用技術(shù)實例（以光催化降解有機污染物為例）：利用半導(dǎo)體光催化劑（如TiO2、ZnO、CdS等）在光照下產(chǎn)生強氧化性的自由基（如·OH），將水體中的有機污染物（如染料、農(nóng)藥、抗生素）礦化為無害的小分子物質(zhì)（如CO2、H2O）。該技術(shù)通常需要結(jié)合光源（紫外燈或可見光源）和反應(yīng)器（如固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器）。*關(guān)鍵考量因素：*光催化劑性能：包括光吸收范圍（是否需要可見光激發(fā)以降低能耗）、光生電子-空穴對的分離效率、表面反應(yīng)活性位點數(shù)量、化學(xué)穩(wěn)定性、抗光腐蝕能力等。*光源選擇：光源的能量匹配性（應(yīng)與催化劑吸收光譜匹配）、光照強度和均勻性。*反應(yīng)條件：pH值、溫度、污染物濃度、催化劑投加量、傳質(zhì)效率等。*污染物性質(zhì)：污染物的結(jié)構(gòu)、毒性、溶解度、光敏性等。*成本與效率：技術(shù)的經(jīng)濟可行性和實際處理效率（如降解速率、礦化程度）。*二次污染：催化劑是否易于回收、是否會產(chǎn)生新的有害副產(chǎn)物。4.答案：*主要技術(shù)需求：*高活性：催化劑需具備較低的活化能，能顯著加速目標(biāo)反應(yīng)速率。*高選擇性：在多步反應(yīng)或存在副反應(yīng)的情況下，能優(yōu)先催化目標(biāo)反應(yīng)，生成期望產(chǎn)物，抑制副產(chǎn)物生成。*高穩(wěn)定性：在反應(yīng)條件下（高溫、高壓、腐蝕性氣氛等）具有化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不易發(fā)生降解、燒結(jié)或失活。*高耐久性：在多次循環(huán)使用或長期運行中，性能保持穩(wěn)定。*高本征催化活性：即使在較低負載量下也能表現(xiàn)出高活性。*易于回收與利用：便于從反應(yīng)體系中分離和重復(fù)使用，降低成本。*綠色環(huán)保：催化劑本身及合成過程應(yīng)環(huán)境友好，盡量使用可再生或低毒性原料。*市場驅(qū)動力：*能源轉(zhuǎn)型需求：發(fā)展清潔能源技術(shù)（如氫能、燃料電池、CO2利用）對高效催化劑的需求巨大。*化工行業(yè)升級：實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的綠色化、高效化、原子經(jīng)濟性，需要新型高效、高選擇性的催化劑替代傳統(tǒng)催化劑。*環(huán)境保護壓力：開發(fā)高效污染物轉(zhuǎn)化催化劑，用于環(huán)境治理和凈化。*成本效益考量：更高效的催化劑可以降低生產(chǎn)能耗和原料消耗，提高經(jīng)濟效益。*國家政策支持：各國政府紛紛出臺政策，支持關(guān)鍵催化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。5.答案：*重要性：發(fā)展可降解高分子材料對于解決“白色污染”、減少環(huán)境持久性有機污染物、實現(xiàn)高分子材料的循環(huán)利用、保護生態(tài)環(huán)境和公眾健康具有重要意義。它們能夠在完成使用功能后，在自然環(huán)境或特定條件下通過微生物作用分解為二氧化碳和水等無害小分子，從而減輕對土地、水體和土壤的污染，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。*當(dāng)前技術(shù)瓶頸：*性能與降解性的平衡：許多天然可降解材料（如PLA）的力學(xué)性能、耐熱性、耐化學(xué)性相對較差，難以滿足所有應(yīng)用需求。而一些高性能合成材料則難以降解。*成本較高：相比傳統(tǒng)塑料，許多可降解塑料的合成成本或改性成本仍然較高，限制了其市場競爭力。*降解條件要求苛刻：部分材料需要在特定的工業(yè)堆肥或土壤條件下才能高效降解，而在自然環(huán)境中降解緩慢，實際效果存疑。*降解產(chǎn)物問題：部分材料降解后可能產(chǎn)生微塑料或?qū)ξ⑸镉泻Φ闹虚g產(chǎn)物。*回收與處理體系不完善：缺乏針對不同種類可降解塑料的有效的回收、分離和處理技術(shù)，可能導(dǎo)致其與傳統(tǒng)塑料混合，影響回收效果。*標(biāo)準化和標(biāo)識問題：材料降解性能的測試標(biāo)準、降解條件的定義以及產(chǎn)品標(biāo)識等方面尚不統(tǒng)一，影響消費者選擇和市場推廣。二、論述題6.答案：*選擇趨勢：固態(tài)電池技術(shù)。*技術(shù)內(nèi)涵：固態(tài)電池是指用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)有機電解液的一種新型電池體系。固態(tài)電解質(zhì)可以是固態(tài)聚合物、玻璃陶瓷或凝膠聚合物等。其核心優(yōu)勢在于能夠提供更高的離子電導(dǎo)率（相比液態(tài)電解質(zhì)）、更寬的電化學(xué)窗口、更高的能量密度和更好的安全性（不易燃，內(nèi)部短路風(fēng)險低），同時固態(tài)電解質(zhì)與電極材料的界面穩(wěn)定性也更好，有利于延長電池壽命。*發(fā)展現(xiàn)狀：目前，固態(tài)電池技術(shù)仍處于商業(yè)化初期，主要挑戰(zhàn)在于固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、機械強度、與電極的相容性、制備工藝的良率與成本等。豐田、寧德時代、LG化學(xué)、松下等大廠均投入巨資研發(fā)。實驗室電池的能量密度已接近甚至超過液態(tài)電池，但量產(chǎn)版本的能量密度和成本仍有提升空間。主要技術(shù)路線包括聚合物固態(tài)電解質(zhì)、玻璃陶瓷固態(tài)電解質(zhì)和半固態(tài)/凝膠聚合物固態(tài)電解質(zhì)。*關(guān)鍵挑戰(zhàn)：*離子電導(dǎo)率與界面問題：實現(xiàn)高離子電導(dǎo)率，并解決電極/電解質(zhì)界面處的阻抗增加和反應(yīng)問題。*制備工藝：開發(fā)低成本、高效率、良率高的固態(tài)電池制造工藝（如薄膜沉積、熱壓合等）。*安全性：確保固態(tài)電解質(zhì)的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，防止內(nèi)部短路和熱失控。*成本控制：降低原材料成本和制造成本，實現(xiàn)與液態(tài)電池的競爭力。*深遠影響：固態(tài)電池技術(shù)的突破有望革命性地提升電動汽車的續(xù)航里程、充電速度和安全性，降低使用成本，是未來電動汽車和儲能領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，將對能源結(jié)構(gòu)、交通方式和電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響。同時，它也促進了材料科學(xué)、化學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。7.答案：*系統(tǒng)選擇：鋰資源（以鋰離子電池為例）。*高效、清潔、循環(huán)利用：化學(xué)新材料和先進技術(shù)在這一系統(tǒng)中的整合應(yīng)用是實現(xiàn)鋰資源高效、清潔、循環(huán)利用的關(guān)鍵。*高效提?。洪_發(fā)新型高效、低能耗的鋰礦提取技術(shù)，如吸附法、離子交換法、膜分離法等，從鹽湖鹵水或礦石中提取鋰，提高鋰的回收率，減少能源消耗和環(huán)境影響。例如，利用新型選擇性吸附劑高效吸附鋰離子。*新材料制備：研發(fā)高能量密度、長壽命、高安全性的鋰離子電池正負極材料（如高鎳三元材料、磷酸鐵鋰、富鋰材料、硅基負極材料、固態(tài)電解質(zhì)等）。這些新材料提高了電池性能，從而提高了單位重量/體積鋰資源的利用效率。例如，硅基負極材料理論上具有極高的容量，能顯著提升電池能量密度。*資源回收與利用：利用化學(xué)新材料（如高效吸附劑、選擇性催化劑、新型膜材料）和先進技術(shù)（如濕法冶金、火法冶金、直接再生技術(shù)、液流電池回收等），從廢舊鋰離子電池中高效、低成本地回收有價鋰、鈷、鎳、錳、銅、鋁等金屬資源。例如，開發(fā)選擇性浸出劑和萃取劑，實現(xiàn)鋰與其他金屬的高效分離。*清潔生產(chǎn)：在鋰的提取、材料合成、電池制造和回收利用過程中，采用綠色化學(xué)原理，開發(fā)環(huán)境友好的工藝路線，減少廢水、廢氣、廢渣的排放，使用可再生能源，降低生產(chǎn)過程的碳足跡。例如，使用水基溶劑替代有毒有機溶劑進行鋰的提取和材料合成。*經(jīng)濟效益：通過提高鋰資源利用效率、降低生產(chǎn)成本、延長電池壽命，可以顯著提升鋰資源產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟效益。電池回收產(chǎn)業(yè)本身也形成新的經(jīng)濟增長點。*環(huán)境效益：減少對原生鋰礦資源的過度開采，保護生態(tài)環(huán)境；減少廢舊電池對環(huán)境的污染；降低碳排放，助力實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。通過循環(huán)利用，實現(xiàn)資源的可持續(xù)供應(yīng)。8.答案：*核心作用：*提升儲能性能：新型儲能材料是提高儲能系統(tǒng)能量密度（單位體積或重量儲存的能量）、功率密度（快速充放電能力）、循環(huán)壽命和安全性等關(guān)鍵性能的核心。例如，高比表面積、高容量或高倍率性能的電極材料（如硅負極、高鎳正極、新型固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬負極等）直接決定了電池的儲能指標(biāo)。*拓展儲能形式：新材料的開發(fā)催生了新型儲能技術(shù)的出現(xiàn)，如鋰硫電池（高理論能量密度）、鋰空氣電池（理論能量密度極高）、鈉離子電池（資源豐富、成本較低）、液流電池（規(guī)模大、長壽命）、壓縮空氣儲能（結(jié)合新材料透平機和蓄能介質(zhì)）等。*支撐可再生能源消納：高效、快速、大容量的儲能技術(shù)是解決風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電波動性、間歇性的關(guān)鍵，新材料通過提升儲能性能，為可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)和穩(wěn)定利用提供了技術(shù)支撐。例如，長壽命、高安全性的儲能電池應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)調(diào)頻、削峰填谷。*推動儲能系統(tǒng)智能化：智能材料（如形狀記憶合金、相變材料、電致變色材料等）和傳感技術(shù)結(jié)合，可以開發(fā)出能夠感知自身狀態(tài)（如溫度、電壓、應(yīng)變）、進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)和預(yù)測性維護的智能儲能系統(tǒng)。*技術(shù)變革方向預(yù)測：*更高能量密度與更長壽命：持續(xù)探索下一代電極材料（如金屬鋰負極、硅負極的體積膨脹問題解決、固態(tài)電池），實現(xiàn)更高的理論容量和更長的循環(huán)壽命。*更高安全性：開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)、無電解液或凝膠電解質(zhì)體系，解決熱失控問題，提高儲能系統(tǒng)的安全性。*更快充放電速度：研發(fā)高離子電導(dǎo)率電解質(zhì)和具有快速傳輸通道的電極材料，實現(xiàn)秒級或分鐘級快速充放電。*更低成本與更高效率：優(yōu)化材料合成工藝，降低原材料成本；提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少損耗。*多功能化與智能化：開發(fā)集儲能、傳感、響應(yīng)調(diào)節(jié)等多種功能于一體的多功能儲能材料；利用人工智能優(yōu)化儲能系統(tǒng)管理和控制。*新型儲能技術(shù)突破：鋰空氣電池、固態(tài)電池、鈉離子電池、氫儲能（新材料儲氫、電解水制氫、燃料電池）等技術(shù)有望取得重大突破，成為未來儲能的重要組成部分。9.答案：*共性難題：*成本控制：高性能新材料（尤其是納米材料、特種合金、高性能聚合物等）的原材料成本高、制備工藝復(fù)雜，導(dǎo)致最終產(chǎn)品成本高昂，難以與傳統(tǒng)材料競爭。規(guī)?；a(chǎn)過程中的成本攤銷是關(guān)鍵。*性能穩(wěn)定性與可靠性：新材料的性能可能在長期使用、極端環(huán)境（高溫、高壓、強腐蝕）或反復(fù)循環(huán)后發(fā)生變化（如性能衰減、結(jié)構(gòu)劣化、相變），其長期穩(wěn)定性和可靠性需要嚴格的驗證。*規(guī)?；a(chǎn)工藝：將實驗室中可行的制備工藝放大到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，面臨諸多挑戰(zhàn)，如產(chǎn)品質(zhì)量均一性控制、生產(chǎn)效率、良品率、設(shè)備投資、生產(chǎn)環(huán)境控制等。涉及混合、反應(yīng)、分離、成型等多個環(huán)節(jié)的工程化難題。*安全風(fēng)險評估：新材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能可能與傳統(tǒng)材料不同，可能帶來新的安全隱患，如毒性、易燃性、反應(yīng)活性、環(huán)境持久性等。需要進行全面、系統(tǒng)的安全評估和風(fēng)險管控。*環(huán)境影響評估：新材料的合成、生產(chǎn)、使用和廢棄過程可能對環(huán)境產(chǎn)生新的影響（如能耗、物耗、排放、生態(tài)毒性等），需要進行生命周期評估，確保其環(huán)境友好性。*標(biāo)準規(guī)范體系不完善：對于許多新材料，缺乏統(tǒng)一、完善的國家或行業(yè)標(biāo)準，包括性能測試方法、應(yīng)用規(guī)范、安全標(biāo)識等，影響了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用和市場監(jiān)管