应用化学研究方法思考题总结.docx

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应用化学研究方法思考题总结

《应用化学研究方法》课程思考题

刘洪涛老师：

●镍铁电池的正负极电极反应是什么？

答：

●相对于锂离子电池，镍铁电池有哪些优缺点？

答：

优点：

（1）资源丰富，价格低廉

（2）铁元素无毒，绿色环保

（3）耐受性优异，使用寿命长

缺点：

（1）析氢过电位低，自放电严重

（2）易生成钝化膜，难以高倍率放电，放电电压低

（3）低温性能差，充电效率低

（4）能量密度低，功率密度低

●铁电极性能的改善可以从哪些方面入手？

答：

提高放电容量、抑制析氢、减小自放电、提高充电效率、提高倍率性能、改善电极综合性能

●从安全、环保的角度，你认为电池的正、负极材料和电解液的选择应考虑哪些基本问题？

答：

正负极材料：

（1）充放电后材料的化学稳定性好，热稳定性好

（2）环境友好，制造过程及电池废弃的过程不对环境造成污染

电解液：

（1）化学性能稳定，与电池内集流体和活性物质不发生化学反应

（2）无腐蚀性，安全低毒，不易燃

（3）最好能够生物降解

刘素琴老师：

1.请从某超级电容器电极材料的循环伏安曲线计算其比电容

比电容Cm=闭合曲线积分面积/（2mrU）

其中m为电极活性物质质量，r为扫描速率，U为电势窗口

积分面积中，电流单位为A，不是电流密度

2.超级电容器电极材料的要求有哪些？

如何设计或改进制备与合成实验方法，获得满足要求的超级电容器电极材料？

要求：

电容量高；电导率高；比表面积大；耐腐蚀性好；高温下较高的稳定性；易于处理，相容性好；价格便宜。

合成实验方法改进：

与金属氧化物复合；氮掺杂和石墨化改性；制备二维多孔超薄碳片；制备二维多孔超薄碳片负载二氧化锰纳米片阵列；有序多孔状四氧化三锰/氮掺杂多孔碳/石墨烯复合材料制备；

3.你所知道的表征粉体材料粒径的方法与技术手段有哪些？

各有什么优点和不足？

研究过程中如何弥补其不足？

X射线小角度散射法:

用于纳米级颗粒测量

x射线衍射线宽法:

优点:

不仅可用于分散颗粒测定，也可用于极细纳米颗粒测定;缺点:

晶粒较大时误差较大;

沉降法:

优点：

可分析颗粒尺寸范围宽的样品;

缺点:

分析耗时长；

激光散射法:

优点:

测定迅速，一次只需十几分钟;可在分散最佳状态下测定，如:

超声波分散后可立即测定，不必等待;

缺点:

结果受分布模型影响大，仪器造价高，分辨率低;

弥补：

根据所得粉体材料的特性选择合适的方法进行表征，也可综合运用几种方法进行表征，选择比较准确的结果。

刘开宇老师：

1）镍氢电池在混合电动车电源领域有什么优势？

或者说，为什么说镍氢电池是混合电动车的首选电源？

比能量高、输出比功率大、大电流特性、环境温度适应性、安全可靠性、使用寿命长、荷电保持率高、性能稳定性等电池特性以及生产成本较低。

2）为什么说贮氢材料是镍氢电池的关键材料？

为了提高镍氢电池的性能（如高功率特性），一般需要对贮氢材料（或贮氢电极）做什么样的处理？

3）请结合相关电池性能，站在一个消费者的角度，谈谈你的想法：

什么样的新能源车是你所能接受的呢？

价格低；电池寿命长；电池续航好；电池耐低温性能好等

喻桂朋老师：

1.什么是多孔有机聚合物？

利用有机单体聚合形成具有一定孔结构的材料

2.国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）是如何将多孔材料进行分类的？

按照孔的尺寸分为微孔材料、介孔材料和大孔材料

3.共价有机骨架聚合物材料与其他多孔固体相比有何结构特点？

（1）仅含C、H、O、N、B、Si这些元素，因此材料密度小；

（2）高比表面积；

（3）孔尺寸可以调节如改变单体臂长度、单体侧链长度；

（4）可通过材料后修饰或者直接使用带功能基团的单体构筑功能材料；

（5）晶体

（6）选择不同单体可形成不同形状的孔，正方形、六边形等，还可形成2D或者3D的材料

（7）有多种多样的共价结合方式，节点基团通常有B3O3环、三嗪环、席芙碱、腙

4.多孔有机聚合物应用的热点领域包括哪些？

气体分离与存储、催化、光电材料、质子传导、超级电容器

5.目前已应用于构筑共价有机骨架聚合物材料的可逆反应有哪些？

苯硼酸自脱水

苯硼酸与具儿茶酚结构的单体缩合脱水

腈类化合物环三聚

醛与胺类化合物缩聚脱水，形成席芙碱或腙的结构

硼酸和硅醇缩聚脱水

刘洪涛老师：

石墨烯的结构是怎样的？

石墨烯有哪些主要特点？

请介绍3种制备石墨烯的方法，并说明各自的优缺点。

请介绍1-2种石墨烯复合材料，并说说其在电化学储能中的应用。

你能否根据石墨烯的特点设计在某方面可能应用的一种石墨烯复合材料。

谈谈你所认识的石墨烯及其研究和应用前景。

1.石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。

碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。

石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能：

强度达130GPa，比钢高100倍，是目前强度最高的材料；热导率可达5000W·m-1·K-1，是金刚石的3倍；石墨烯载流子迁移率高达15000cm2·V-1·S-1，是商用硅片的10倍以上。

石墨烯还有超大的比表面积（2630m2/g）、室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度远超过一般导体，达到了光速的1/300。

2.制备石墨烯常见的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。

机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。

这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。

氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。

这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。

SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。

这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。

CVD是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。

这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。

3.石墨烯纳米粒子复合物在锂离子电池，超级电容器及燃料电池等电源材料领域中的应用正在深入。

以石墨烯膜作为电极材料在锂电池中有很大的放电容量（680mA·h/g），以醋酸铜和氧化石墨烯为前驱体原位反应可得到石墨烯Cu2O复合物．将之作为锂电池阳极材料时，其首次放电容量可达1100mA·h/g，由TiCl3的水解和高温热处理制得的石墨烯TiO2复合物也具有较好的锂电池充放电性能．超级电容器是介于电池与传统电容器之间的新型储能器件，具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽和安全性高等特点，近年来已被广泛应用于移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域．基于石墨烯的纳米粒子复合物是超级电容器的理想电极材料．石墨烯较大的比表面积有利于纳米粒子的高度分散，优异的导电性有利于在电化学过程中电子从纳米粒子向石墨烯基体的转移，可有效抑制在超级电容器电化学循环过程中发生因团聚,而形成的钝态膜现象，提高电极材料循环性能．如氧化石墨烯-纳米MnO2复合物，当负载量mMnO2）:

m（氧化石墨烯）＝15∶1时，复合材料在第1000个电化学循环的电容保持率由69.0％提升至84.1％，循环性得到了有效的提高。

4.石墨烯可用作导电材料如导电/抗静电塑料，导电油墨，电磁屏蔽涂层，导热材料用作散热材料，导热塑料，导热膜，导热管等。

5.石墨烯优异的性能是建立在无缺陷、完美结构基础上的理想状态之上，高质量石墨烯的可靠制备方法以及产业化生产仍是巨大的挑战，并且关于其在应用领域内的突破报道大多言过其实，许多结果仅仅是纸上谈兵，有部分是实验室里还没经过验证的不成熟的研究结果，目前仍已投入应用的主要限于低端市场，其高端市场的开发应用完全取决于品质和成本的进展，不可否认，石墨烯仍然是未来最具潜力的新材料，需要各方面的共同努力才能更快地发挥其潜能。

杨占红老师：

1.什么是环保热稳定剂？

与传统热稳定剂相比有什么优越性？

答：

（1）传统的PVC热稳定剂可分为铅盐类、金属皂类、有机锡类、稀土类、复合类、有机和无机类稳定剂等。

但铅盐类、金属皂类、有机锡类都或多或少具有一定的缺点，克服各类热稳定剂的缺点，相互间取长补短，开发出环保热稳定剂：

PVC稀土/钙/锌复合稳定润滑剂。

（没有概念，自己总结的，供参考）

（2）优越性：

具有优异的热稳定性、润滑性、耐候性、透明性；

无毒、无臭、绿色环保、安全卫生、利于环境保护；

与PVC分散性、相容性好，无硫化污染；

能改善提高PVC制品的可焊性，冲击性等机械力学性能；

抗析出、成型加工性好，能进行稳定的生产、延长挤出周期。

2.简述锌镍电池的优势和研究进展。

答：

优势：

价格低、环保、电压高、原材料来源丰富、比能量密度高。

研究进展：

虽然锌镍电池具有一系列的有点，但同时存在很多缺点，锌负极具有的缺点有电极变形、支晶生长、自腐蚀、电极钝化、离子迁移等方面的缺点，镍正极具有不可逆化、自放电、毒化等缺点。

目前的一些研究进展主要针对缺点进行改进。

对锌负极的改进分三个方面：

锌负极活性物质的改进、锌负极添加剂、锌负极表面处理，目前的一些研究进展有

1、对负极的研究

（1）锌负极活性物质的改进：

对氧化锌表面进行氧化铟的掺杂包覆、对锌酸钙进行SnCl2的掺杂包覆；等等。

（2）锌负极添加剂：

添加聚丙烯酸钠（PAAS），添加含量为0.3%-0.5%为宜；添加分散剂六偏磷酸钠；等等。

2、对正极的研究：

镍正极的改进多集中于镍正极无机添加剂的研究，且很多研究大多集中于添加Co、Ba、Cd、Zn等元素。

3、对电解液的改进：

添加一些优良的添加剂，如硼酸。

同时，将三元水滑石（锌铝铟三元水滑石）运用到锌镍电池体系中也是一个新的研究进展。

黄健涵老师：

1）什么是超高交联树脂？

答：

超高交联树脂是一种吸附树脂，又称为聚合物吸附剂，是一大类不含离子交换基团，具有大且多孔的网状结构、内部结构复杂、高交联度的高分子聚合物。

2）超高交联树脂具有哪些特殊的结构？

（从各个论文里总结了一下不过总觉得并不够。

。

特殊不知道他要求的特殊是什么样的感觉交联树脂的结构都一样的啊基本。

。

）

答：

具有刚性骨架、大且多孔的网状结构、较大的比表面积、可以调节的孔径结构。

3）超高交联树脂在哪些领域有应用前景？

答：

1.储能领域。

2.废气处理。

3.废水治理与资源化。

4.排阻色谱。

5.色谱分离。

6.离子色谱。

4）谈谈功能高分子领域的应用前景？

（并没有太读懂。

。

这个题。

。

）

1、谈谈超高交联树脂在功能高分子领域的应用前景。

答：

超高交联树脂由于其具有的特殊结构，使在处理高浓度、难降解的有机工业废水方面发展迅速，尤其在酚类、胺类、有机酸类、硝基物、卤代烃等方面，取得重大进展。

大孔吸附树脂既具有活性炭的吸附能力，又具有脱附效率高的特点，物理化学性能稳定，因此在有机废水资源化处理领域具有广阔应用前景。

2、谈谈功能高分子材料的应用前景。

答：

功能高分子材料其应用前景可以从一下三个方面进行展望。

光功能高分子的应用前景主要是感光性树脂在印刷布线、孔板制造、集成电路和电子器件加工、精密机械加工及复印、照相等方面的应用愈来愈广泛。

其次还有光降解材料在环保方面的应用，主要可应用于两个方面，包装材料、农业应用薄膜，可以减少白色污染。

导电高分子的应用前景将集中在以下几个方面：

一是合成可溶性导电高分子，直接合成可溶性电高分子以实现可加工性和研究结构与性能；二是合成自掺杂或不掺杂导电高分子，以决聚合物稳定性问题。

医用高分子材料在应用前景主要是合成生物可降解高分子材料，医用可生物降解高分子材料具有良好的生物降解性和生物相容性，在缓释药物、促进组织生长的骨架材料方面具有极大的发展潜力，尤其是可对生物降解型聚合物进行物理好和化学修饰，研发出适合于不同药物的聚合物基材料，使之达到理想的控制释放效果。

5）如何理解超高交联树脂中的“交联”二字？

答：

交联指线型或支型高分子链间以共价键连接成网状或体型高分子的过程。

超高交联树脂中的“交联”是指碳骨架单体通过链式聚合化学反应合成一种三维大网均孔聚合物的过程。

唐爱东老师：

1.分析TiO2的结构和特性。

（加粗的是老师PPT上红色字体）

晶型结构：

是由相互联接的TiO6八面体构成，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互联接的方式不同。

金红石型的八面体不规则，微显斜方晶，其中每个八面体与周围10个八面体相联（其中两个共边，八个共顶角）；锐钛矿型的八面体呈明显的斜方晶畸变，其对称性低于前者，其每个八面体与周围8个八面体相联（四个共边，四个共顶角）。

特性：

这种晶型结构确定了它们的键距，锐钛矿型的Ti—Ti键距（3.79，3.04），Ti—O键距（1.934，1.980）；金红石型键距（3.57，3.96），Ti—O键距（1.949，1.980）。

比较Ti—Ti键距锐钛矿型比金红石型大，Ti—O键距锐钛矿型比金红石型小。

这些结构上的差异使得两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。

锐钛矿型TiO2的质量密度（3.894g·cm-3）略小于金红石型TiO2（4.250g·cm-3）。

锐钛矿型TiO2禁带宽度Eg为3.3eV大于金红石型TiO2的Eg为3.1eV。

锐钛矿型TiO2较负的导带对O2的吸附能力较强，比表面积较大，光生电子和空穴容易分离。

因此锐钛矿型TiO2光催化活性高于金红石型TiO2光催化活性。

2.举例说明纳米TiO2的三种应用特性。

（给出两种类型的回答，个人认为第二种回答简洁一点）

新型化学传感器（用于气敏传感器、湿敏传感器）

（1）半导体型的氧化钛系陶瓷实际用于空气－燃料（A/F）比控制的传感器。

这些氧传感器的原理是基于汽车排出气体的氧分压随空气－燃料比发生急剧的变化，同时陶瓷的电阻又随氧分压变化。

在室温下，氧化钛的电阻很大，随着温度的升高，某些氧离子脱离固体进入环境中,留下氧空位或钛间隙，晶格缺陷作为施主为导带提供电子。

随着氧空位的增加，导带中的电子浓度提高，材料的电阻下降。

（2）MgCr2O4－TiO2多孔陶瓷的导电性由于吸附水而增高，其导电机制是离子导电。

金属氧化物陶瓷表面不饱和键的存在，很容易附水（物理吸附）。

但是，MgCr2O4－TiO2高温烧结湿敏陶瓷不同于其他金属氧化物，其表面形成的水分子很容易在压力降低或温度稍高于室温时脱附，湿度响应快。

对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。

在实际中，已经用于微波炉的自动控制，根据处于微波炉蒸汽排气口处的湿敏传感器的相对湿度反馈信息，调节烹调参数。

MgCr2O4－TiO2陶瓷还可以制成对气体、湿度、温度具有敏感特性的多功能传感器。

还可以用TiO2为粉料制成涂覆型湿敏元件。

锂离子电池材料纳米二氧化钛可以掺入锂离子电池的正极材料，如LiCoO2，能有效提高容量及放电平台以及减少电阻，提高电化学性能。

环境催化材料可以作为一种绿色环保型催化剂，用于光催化降解污染物，处理工业及生活废水。

光催化特性（光催化降解各类有机物和无机物，可以用于废水处理）

超亲水性和超永久性（TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。

如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，不会产生雾，依旧保持光亮，提高行车安全）

吸波特性（吸收雷达探测波，作为飞机的隐形材料）

3.TiO2掺杂改性的途径主要有哪些？

举例说明。

（总共列举了6种方法）

（1）表面螯合及衍生作用螯合剂（如金属氧化物）在催化剂表面上与TiO2螯合，可进一步提高界面电荷的迁移速率；

（2）贵金属沉积常用于纳米TiO2表面修饰改造的贵金属主要有Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Ni等。

贵金属在TiO2表面上的沉积改变了体系中电子的分布，影响TiO2表面性质，进而提高光催化反应效率；

（3）表面光敏化敏化剂包括一些贵金属化复合化合物及各种有机染料（曙红、酞菁、紫菜碱、玫瑰红等）、叶绿素、腐殖质、不饱和脂肪酸、钌的吡啶类配合物等，光敏剂吸附在半导体表面上，能扩大光催化材料的激发波长范围，增加光催化反应的效率；

（4）复合半导体TiO2复合体系主要CdS-TiO2、SiO2-TiO2、WO3-TiO2、Nb2O5-TiO2、SnO2-TiO2、CdSe-TiO2、TiO2-Fe2O3、PbS-TiO2等，这些复合体系具有较单一半导体更好的稳定性和催化活性。

在众多的复合半导体系中CdS-TiO2被研究得最深入；

此外还有金属离子掺杂、非金属离子掺杂等方法。

4.锐钛矿型和金红石型TiO2的能带结构有什么区别？

虽然两者的价带位置相同，光生空穴具用相同的氧化能力，但锐钛矿相导带的电位更负（即禁带宽度大于金红石相），光生电子还原能力更强。

（左边是锐钛矿，右边是金红石）

5.为什么要对TiO2光催化剂进行掺杂改性？

（1）提高对光子的利用率。

TiO2的禁带宽度为3.2eV，能吸收波长小于387.5nm的紫外辐射，而太阳光中紫外线的含量不到5%，故使得太阳能的利用率很低。

（2）提高催化反应的效率。

TiO2激发出的电子-空穴对很容易发生复合，多数的光生电子和空穴无法与周围的有机物作用，也大大降低了反应的效率，所以造成以TiO2为主的光催化技术在实际推广应用中受到极大制约。

潘春跃老师：

1.简述太阳能利用的主要途径

光电转换、太阳能转化为氢能、光热转换、太阳能转化为生物质能、太阳能转化为机械能

2.简述染料敏化太阳能电池工作原理

染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态，处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中;处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；电子扩散至导电基底，后流入外电路中；氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环。

3.简述钙钛矿太阳能电池特点

钙钛矿敏化剂容易合成，并且廉价

电池结构相比染料敏化太阳能电池更适合于工业化

近年来光电转化效率迅速提升

发电成本低

钙钛矿中的铅容易氧化挥发，而当晶体遇水时则易分解，污染环境

钙钛矿太阳能电池寿命不长

4.简述染料敏化太阳能电池中染料能级结构和能级匹配要求

染料的LUMO能级应高于半导体导带底的能级

染料基态的氧化电位比电解液中氧化还原电对的电位更正

5.简述电负性概念及其作用

定义：

衡量一个原子在化合物中吸引电子能力大小的度量。

作用：

它可定性地了解由两个不同原子组成的共价键的极性，电负性大的原子端带负电；电负性是了解元素化学性质的重要参数，也是了解化学键类型及其变异的重要依据。

刘又年老师：

1.什么是分子自组装？

答：

自组装（self-assembly）为系统的构成元素（components；如分子）在不受人类外力之介入下，自行聚集、组织成规则结构的现象。

自组装程序的发生通常会将系统从一个无序（disordered）的状态转化成一个有序（ordered）的状态，其可以发生在不同的尺度。

（答案来自XX）

2.简述两亲性多肽（聚合物）分子自组装机理及其作为药物载体的特点。

答：

机理：

两亲性多肽分子结构具有类似于表面活性剂的疏水链段和亲水端基，在疏水性链段间的疏水性作用力和亲水性多肽链段间的氢键协同驱动下，多肽分子能够自组装形成规整有序的纳米/微米结构，在组装过程中，疏水性链段由于憎水而相互聚集，形成组装体的疏水性内核，所产生的疏水性作用力是驱动两亲性分子自组装和维持组装体结构稳定的主要驱动力;而肽链间的氢键则使得相互靠近的亲水性多肽链段以某种特定的二级结构紧密堆砌排列在组装体表面，与水接触，进一步驱动组装的完成。

（答案来自文献：

两亲性多肽自组装及其应用，高等学校化学学报）

特点：

两亲性聚合物在结构上可以划分出亲水部分和疏水部分。

由于这种独特的化学结构,在水溶液中能形成具有球形内核—外壳结构的共聚物胶束,其疏水部分构成内核,亲水部分形成外壳。

内核可以作为疏水性药物的容器,将药物增溶在核心,降低毒副作用,外壳可对药物起保护作用,提高药物的稳定性,并且达到缓释作用,同时通过对胶束的表面修饰可以达到靶向作用。

在难溶性药物、大分子药物和基因治疗药物载体给药方面具有独特的优势。

在胶体粒子粒径约为10～100nm。

纳米级的粒径加上亲水性的胶束外壳,使之不易被网状内皮系统吞噬,可阻止蛋白质和细胞的吸附,因而能在血液中长时间循环并保持稳定,同时纳米级的粒径也使载药胶束在靶位表现出更好的生物膜穿透能力。

两亲性聚合物胶束作为给药载体具有突出的优势,对难溶性药物有良好的增溶性、制备方法简单,药物的释放速度可控，靶向性好，生物膜穿透能力强。

（答案来自文献，两亲性聚合物胶束作为药物载体研究进展，武警医学院学报）

3.纳米粒子形貌的表征方法主要有哪些？

SEM（扫描电子显微镜）、TEM（透射电镜）、LEED（低能电子衍射）、STM（扫描隧道显微镜）、AFM（原子力显微镜）、XRD（X射线衍射）