2025年高中化學(xué)競賽專題訓(xùn)練七十四：化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展一、綠色化學(xué)理論基礎(chǔ)與核心原則化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展的核心在于通過化學(xué)原理減少資源消耗和環(huán)境污染，其理論體系以綠色化學(xué)十二原則為框架，涵蓋原子經(jīng)濟性、無害化學(xué)合成、可再生資源利用等關(guān)鍵領(lǐng)域。2025年競賽對該部分的考察重點包括：（一）原子經(jīng)濟性與反應(yīng)效率原子經(jīng)濟性概念由斯坦福大學(xué)Trost教授提出，強調(diào)化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物原子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的比例。例如，工業(yè)合成環(huán)氧乙烷的傳統(tǒng)氯醇法原子利用率僅37%，而乙烯直接氧化法（銀催化）原子利用率達100%，成為原子經(jīng)濟性反應(yīng)的典范。競賽中常要求通過計算比較不同合成路徑的原子利用率，如2025年江蘇省競賽題中對比了乙酸乙酯的酸催化酯化（原子利用率83%）與酯交換反應(yīng)（原子利用率92%）的環(huán)境效益差異。（二）綠色溶劑與催化劑創(chuàng)新傳統(tǒng)有機溶劑（如苯、氯仿）因揮發(fā)性和毒性被逐步限制使用，2025年綠色化學(xué)研究熱點集中于：超臨界流體：CO?在31℃、7.38MPa下形成的超臨界流體兼具氣體擴散性和液體溶解性，已用于咖啡脫咖啡因和藥物合成，其零VOC排放特性符合歐盟REACH法規(guī)要求。離子液體：由有機陽離子和無機陰離子組成的熔融鹽（如[BMIM][PF?]），具有可設(shè)計性和熱穩(wěn)定性，在2025年國際光化學(xué)大會上被報道用于催化CO?與環(huán)氧丙烷的環(huán)加成反應(yīng)，產(chǎn)率達98%且催化劑可循環(huán)使用10次以上。生物催化劑：酶催化反應(yīng)在溫和條件下（37℃、pH7）實現(xiàn)高選擇性轉(zhuǎn)化，如固定化脂肪酶催化拆分外消旋布洛芬，ee值（對映體過量）超過99%，相關(guān)技術(shù)已被2025年化工行業(yè)報告列為醫(yī)藥中間體綠色生產(chǎn)的核心技術(shù)。（三）可再生資源轉(zhuǎn)化技術(shù)以生物質(zhì)替代化石原料是實現(xiàn)碳循環(huán)的關(guān)鍵路徑，2025年重點突破包括：纖維素降解：通過酸催化或酶解將農(nóng)業(yè)秸稈轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進一步發(fā)酵生產(chǎn)乳酸（轉(zhuǎn)化率85%），再經(jīng)縮聚合成聚乳酸（PLA）生物可降解塑料，其機械性能（拉伸強度60MPa）接近聚乙烯。生物基平臺化合物：5-羥甲基糠醛（HMF）由果糖脫水制備，可衍生為呋喃二甲酸（FDCA），替代對苯二甲酸合成生物基PET，可口可樂公司2025年宣布該材料在飲料瓶中的應(yīng)用比例將提升至30%。二、可持續(xù)能源化學(xué)前沿技術(shù)能源轉(zhuǎn)化與存儲是化學(xué)競賽的高頻考點，2025年命題趨勢呈現(xiàn)從理論計算向?qū)嶋H應(yīng)用延伸的特點。（一）新型太陽能電池材料鈣鈦礦電池：CH?NH?PbI?鈣鈦礦的光吸收系數(shù)達10?cm?1，能量轉(zhuǎn)換效率從2012年的9.7%提升至2025年的31%，但鉛泄漏問題推動無鉛化研究，如錫基鈣鈦礦（MASnI?）的穩(wěn)定性已通過有機陽離子工程改善，半衰期延長至500小時。光催化制氫：TiO?基催化劑在紫外光下分解水的量子效率較低（<10%），2025年研究通過摻雜氮元素（N-TiO?）將響應(yīng)范圍拓展至可見光區(qū)（λ<500nm），并與CdS量子點復(fù)合形成Z型異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)氫速率達460μmol·g?1·h?1，相關(guān)光電化學(xué)原理分析在2025年CCC競賽題中占4分分值。（二）儲能材料與電池技術(shù)固態(tài)電池：以硫化物電解質(zhì)（Li?La?Zr?O??）替代液態(tài)電解液，解決傳統(tǒng)鋰離子電池的燃爆風(fēng)險，2025年豐田公司公布的全固態(tài)電池能量密度達500Wh/kg，循環(huán)壽命突破1000次，其界面阻抗控制技術(shù)（通過LiPO?涂層）成為競賽材料題的考點。液流電池：釩液流電池（V2?/V3?、VO2?/VO??redoxcouples）具有容量可調(diào)節(jié)特性，2025年中國大連融科公司研發(fā)的200MW/800MWh系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換效率達76%，在電網(wǎng)調(diào)峰中實現(xiàn)度電成本降至0.5元，相關(guān)電極材料（石墨烯改性碳氈）的電化學(xué)性能分析是2025年競賽大綱新增內(nèi)容。三、環(huán)境污染物控制與修復(fù)技術(shù)（一）工業(yè)三廢處理新方法煙氣脫硫脫硝：傳統(tǒng)石灰石-石膏法產(chǎn)生大量固廢，2025年開發(fā)的雙氧水氧化法（H?O?/UV）在pH3條件下同時去除SO?（99%）和NO?（92%），副產(chǎn)物硫酸和硝酸可回收利用，該工藝在2025年江蘇省競賽題中作為綠色工藝案例出現(xiàn)。重金屬離子吸附：MOFs材料（如UiO-66）通過金屬節(jié)點與有機配體的配位作用形成多孔結(jié)構(gòu)，對水中Pb2?的吸附容量達420mg/g，且可通過酸洗再生，其吸附等溫線（Langmuir模型）和動力學(xué)方程（準(zhǔn)二級模型）的計算是競賽?？碱}型。（二）微塑料降解技術(shù)針對海洋微塑料污染（直徑<5mm），2025年突破性技術(shù)包括：光催化降解：BiVO?/WO?異質(zhì)結(jié)在可見光照射下產(chǎn)生·OH自由基，可將PET微塑料分解為CO?和H?O，降解速率達0.023mg·L?1·h?1，相關(guān)機理分析需掌握半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和載流子分離原理。生物降解：Ideonellasakaiensis細菌分泌的PETase酶可在30℃下分解PET，2025年通過蛋白質(zhì)工程改造的FAST-PETase，其催化效率提升6倍，使礦泉水瓶在2周內(nèi)完全降解，該案例在2025年CCC競賽中結(jié)合酶動力學(xué)參數(shù)（Km=0.45mM，kcat=2.1s?1）進行考察。四、競賽考點解析與真題示例（一）核心考點分布根據(jù)2025年全國高中化學(xué)競賽大綱，可持續(xù)發(fā)展模塊約占15%分值，重點包括：綠色化學(xué)原理應(yīng)用（原子經(jīng)濟性計算、溶劑選擇）能源材料性能比較（電池能量密度、光伏轉(zhuǎn)換效率）環(huán)境化學(xué)實驗設(shè)計（污染物檢測、降解率測定）工業(yè)流程評價（從傳統(tǒng)工藝到綠色工藝的改進）（二）典型真題精析例題1（2025年江蘇競賽題）工業(yè)合成苯乙酸的傳統(tǒng)方法為：C?H?CH?Cl+NaCN→C?H?CH?CN+NaCl（水解后得產(chǎn)物），原子利用率62%。2025年開發(fā)的生物催化法為：C?H?CH?+NH?+O?→C?H?CH?NH?（氧化）→C?H?CH?COOH（水解）。（1）計算生物催化法的原子利用率；（2）對比兩種方法的環(huán)境風(fēng)險。解析：（1）生物法總反應(yīng)式：C?H?+NH?+2O?→C?H?O?+H?O+NH?（NH?循環(huán)），原子利用率=（136/136+18）×100%=88%；（2）傳統(tǒng)法使用劇毒NaCN（LD??=6.4mg/kg），生物法采用O?為氧化劑，副產(chǎn)物僅為H?O，符合“無害化學(xué)合成”原則。例題2（2025年CCC競賽題）某新型鋰離子電池采用LiFePO?/C正極和硅基負極，電解液為1MLiPF?inEC/DMC（體積比1:1）。已知：電池容量1000mAh，工作電壓3.2V，質(zhì)量25g。（1）計算該電池的能量密度（Wh/kg）；（2）說明硅基負極的體積膨脹問題及改進措施。解析：（1）能量密度=（1000mAh×3.2V）/25g=（3.2Wh）/0.025kg=128Wh/kg；（2）硅嵌鋰形成Li?.?Si時體積膨脹300%，導(dǎo)致電極粉化。改進方法包括納米硅顆粒（減少應(yīng)力）、碳包覆（提高導(dǎo)電性）、SiO?復(fù)合（緩沖體積變化）。五、前沿技術(shù)與競賽預(yù)測2025年綠色化學(xué)領(lǐng)域的突破性進展極可能成為競賽命題素材，需重點關(guān)注：人工光合作用：2025年國際光化學(xué)大會報道的“仿生樹葉”系統(tǒng)，通過Ru催化劑和生物酶的耦合，實現(xiàn)CO?和H?O在陽光照射下轉(zhuǎn)化為甲醇，能量轉(zhuǎn)換效率達18%，接近自然光合作用（20%）。固態(tài)儲氫材料：MgH?通過球磨摻雜TiF?后，脫氫溫度從300℃降至220℃，儲氫容量7.6wt%，相關(guān)熱力學(xué)計算（ΔH=-75kJ/molH?）和動力學(xué)分析（活化能降低40%）可能成為2025年決賽的壓軸題。量子點太陽能電池：CdSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點的光吸收范圍覆蓋300-800nm，2025年實驗室效率達16.2