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2025年大学《资源化学》专业题库——光催化反应机制与动力学研究必威体育精装版进展解析

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述光生电子-空穴对产生、分离与迁移的机理，并指出影响分离与迁移效率的关键因素。

二、

列举三种用于研究光催化反应机理的原位表征技术，并简要说明其中任意一种技术的原理及其在揭示机理方面的优势。

三、

简述表面反应控制模型（SurfaceReactionControlModel）的基本思想，并说明如何通过实验设计来验证该模型是否适用于某一特定的光催化反应。

四、

在光催化CO2还原反应中，影响产物选择性（如甲烷、甲酸、乙烯等）的关键因素有哪些？请结合反应机理进行解释。

五、

设计一个研究光催化剂X在可见光下降解水中污染物Y的动力学实验方案。方案应包括至少三个关键实验条件（如催化剂用量、初始浓度、光源强度）的设置，并说明选择这些条件的理由。

六、

近年来，缺陷工程被广泛应用于设计高效光催化剂。请简述通过引入缺陷（包括本征缺陷和外来缺陷）可以提升光催化剂性能的几种主要途径，并举例说明。

七、

对比分析光电催化和传统光催化的区别，并探讨光电催化在提升光催化效率方面的优势所在。

八、

阅读以下研究摘要（假设）：【摘要】某研究团队采用DFT计算研究了不同金属掺杂对半导体A光生电子-空穴对分离的影响。结果表明，掺杂元素X能显著降低电子-空穴对复合能垒，从而提高光催化活性。该掺杂元素还改变了催化剂的表面态，有利于吸附反应物分子。请根据摘要内容，分析该研究的主要发现及其潜在的应用价值。

九、

在光催化研究中，如何区分传质限制（MassTransferLimitation）和表面反应限制（SurfaceReactionLimitation）对整体反应速率的控制？请提出至少两种判断方法。

十、

评述当前光催化技术在实现可持续能源转换和环境修复方面所面临的挑战，并展望未来可能的研究方向。

试卷答案

一、

答案：光生电子-空穴对在半导体禁带中产生后，由于库仑吸引力倾向于复合。通过内建电场、表面陷阱捕获、能量转移（如通过声子或光子）或与吸附物相互作用等方式实现分离。影响分离效率的关键因素包括：半导体的能带结构（禁带宽度、能带位置）、内建电场强度、表面态密度与种类、缺陷浓度、光子能量、温度等。

解析思路：考察对光催化基本过程的理解。首先回答电子-空穴对产生后为何需要分离（复合倾向），然后阐述主要的分离机制（电场、陷阱、能量转移、吸附物作用），最后列举影响分离效率的核心因素（能带、电场、表面态、缺陷、光子能量等）。

二、

答案：常用的原位表征技术包括：原位红外光谱（In-situIRSpectroscopy），用于追踪表面吸附物种和化学键变化；原位X射线吸收谱（In-situXAS），用于研究催化剂表面电子结构、元素价态和配位环境变化；原位光致发光/时间分辨光谱（In-situPL/TRSpectroscopy），用于研究光生载流子的产生、寿命和迁移；原位X射线衍射（In-situXRD），用于监测晶体结构变化。以原位红外光谱为例，其原理通过监测催化剂表面吸附物种的特征红外吸收峰随时间或光照条件的变化，直接推断表面反应路径和中间体。其优势在于能直接提供表面化学信息，原位、实时，对揭示表面反应机理非常直观。

解析思路：要求列举并解释原位表征技术。首先列出至少三种技术名称，然后选择其中一种（如原位红外）详细说明其工作原理和在机理研究中的信息提供方式，最后总结其优势。

三、

答案：表面反应控制模型认为，在光催化反应中，如果表面吸附步骤（反应物吸附、产物脱附或表面中间体反应）的活化能远大于载流子迁移和复合的活化能，则整个反应的速率由表面反应步骤控制。验证该模型的方法包括：改变反应物或产物的覆盖压强（或浓度），观察反应速率的变化；改变催化剂表面性质（如通过改性改变吸附能），观察反应速率的变化；测量不同温度下的表观活化能，如果表观活化能接近表面反应步骤的活化能，则支持该模型。通过动力学实验数据拟合，如果符合特定的表面反应速率方程形式，也可作为支持证据。

解析思路：考察对动力学模型的掌握和实验设计能力。首先解释模型的基本假设（表面步骤速率控制），然后提出至少两种通过改变实验条件或测量动力学参数来验证该模型的具体方法和原理。

四、

答案：影响CO2还原产物选择性的关键因素主要包括：1）半导体材料的能带位置（影响还原电位）；2）催化剂表面的反应位点种类与性质；3）吸附在表面的中间体的种类与稳定性；4）反应条件，如光源波长/能量、光照强度、反应温度、气氛（如CO2/H2/O2分压比）、反应物浓度等。这些因素共同决定了CO2在表面发生的吸附模式（如线型、桥式）以及后续是经历单