遼寧2025自考[智能分子工程]納米科學(xué)與技術(shù)案例題專練案例題專練（共5題，總分100分）案例題1（10分）背景材料：遼寧省大連市某化工廠計(jì)劃研發(fā)一種新型納米復(fù)合催化劑，用于提升苯酚合成過程中的選擇性，以減少副產(chǎn)物生成。該工廠采用納米二氧化鈦（TiO?）作為載體，負(fù)載鉑（Pt）納米顆粒，并計(jì)劃在2025年投產(chǎn)。但初步實(shí)驗(yàn)顯示，催化劑的穩(wěn)定性不足，易團(tuán)聚。工廠技術(shù)負(fù)責(zé)人邀請(qǐng)您參與分析問題并提出解決方案。問題：1.結(jié)合納米材料特性，分析TiO?負(fù)載Pt納米顆粒時(shí)易團(tuán)聚的主要原因。2.提出至少三種提高催化劑穩(wěn)定性的具體措施，并說明其原理。案例題2（15分）背景材料：沈陽藥科大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于納米囊的藥物遞送系統(tǒng)，用于治療遼寧省撫順地區(qū)的肺癌患者。該系統(tǒng)以聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）為載體，包裹阿霉素（DOX），體外實(shí)驗(yàn)顯示藥物釋放曲線符合零級(jí)釋放，但在臨床轉(zhuǎn)化過程中發(fā)現(xiàn)，藥物在肺部的駐留時(shí)間較短（約4小時(shí)），遠(yuǎn)低于預(yù)期效果。問題：1.解釋納米囊藥物零級(jí)釋放的含義，并分析影響藥物駐留時(shí)間的關(guān)鍵因素。2.若要延長藥物在肺部的駐留時(shí)間，可調(diào)整哪些納米囊設(shè)計(jì)參數(shù)？請(qǐng)說明理由。案例題3（20分）背景材料：盤錦地區(qū)某企業(yè)計(jì)劃利用納米技術(shù)治理遼河水體中的重金屬鎘（Cd2?）污染。初步實(shí)驗(yàn)采用納米氧化鐵（Fe?O?）吸附劑，結(jié)果顯示其最大吸附量?jī)H為15mg/g。環(huán)保部門要求企業(yè)將吸附量提升至50mg/g，并確保吸附過程符合遼寧省2025年新出臺(tái)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（出水Cd2?濃度<0.01mg/L）。問題：1.分析Fe?O?納米顆粒吸附Cd2?的機(jī)理，并指出提高吸附量的可能途徑。2.若需滿足新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，除提高吸附量外，還需優(yōu)化哪些性能指標(biāo)？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化方案。案例題4（25分）背景材料：本溪鋼鐵集團(tuán)為解決高爐煉鐵過程中催化劑中毒問題，委托東北大學(xué)研發(fā)一種納米級(jí)稀土氧化物（La?O?）涂層催化劑。實(shí)驗(yàn)室階段發(fā)現(xiàn)，涂層在高溫（800℃）下易剝落，導(dǎo)致催化劑壽命不足200小時(shí)。企業(yè)要求在2025年前實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，剝落問題必須解決。問題：1.分析La?O?涂層在高溫下剝落的主要原因，并與傳統(tǒng)宏觀涂層對(duì)比其失效機(jī)制。2.提出三種防止涂層剝落的材料或工藝改進(jìn)方案，并說明技術(shù)原理。案例題5（30分）背景材料：鞍鋼集團(tuán)研發(fā)了一種納米復(fù)合防腐蝕涂料，用于遼寧沿海地區(qū)的船舶鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕。該涂料以納米氧化鋅（ZnO）為核心，輔以環(huán)氧樹脂基體。然而，在模擬海洋環(huán)境（鹽霧+濕熱）的加速測(cè)試中，涂層出現(xiàn)微裂紋，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)滲透。為滿足2025年新規(guī)要求（涂層耐蝕性提升30%），研發(fā)團(tuán)隊(duì)需緊急改進(jìn)配方。問題：1.分析納米ZnO在防腐蝕涂料中失效的關(guān)鍵原因，并說明微裂紋形成的可能機(jī)理。2.若要提升耐蝕性，可從哪些方面調(diào)整涂料配方？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)具體改進(jìn)方案，并說明每項(xiàng)調(diào)整的預(yù)期效果。答案與解析答案1（10分）1.團(tuán)聚原因分析：-表面能過高：納米Pt顆粒表面原子配位不飽和，具有高表面能，易通過范德華力聚集。-載體相互作用：TiO?表面存在羥基或氧空位，可能與Pt納米顆粒發(fā)生化學(xué)鍵合，加速團(tuán)聚。-溶劑效應(yīng)：若實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)極性溶劑（如水），可能削弱Pt-O相互作用，促進(jìn)團(tuán)聚。2.提高穩(wěn)定性的措施：-表面改性：在TiO?表面包覆一層惰性材料（如SiO?或碳），降低表面能，減少團(tuán)聚。-低溫負(fù)載：采用低溫化學(xué)還原法負(fù)載Pt，避免高溫?zé)釕?yīng)力導(dǎo)致顆粒遷移。-分散劑添加：加入高分子分散劑（如聚乙二醇），通過空間位阻作用阻止顆粒碰撞。答案2（15分）1.零級(jí)釋放含義：藥物以恒定的速率從納米囊中釋放，不受濃度梯度影響。-駐留時(shí)間縮短原因：-粒徑過大：納米囊直徑可能超過200nm，被肺泡巨噬細(xì)胞快速吞噬清除。-表面電荷不匹配：PLGA表面電荷與肺泡液電荷斥力不足，易被黏液層黏附并清除。-滲透壓失衡：藥物釋放導(dǎo)致囊內(nèi)滲透壓變化，加速納米囊破裂。2.延長駐留時(shí)間的調(diào)整方案：-減小粒徑：將納米囊直徑降至100nm以下，提高在肺泡的駐留時(shí)間（基于Stokes-Einstein效應(yīng)）。-表面修飾：覆上聚乙二醇（PEG）長鏈，增強(qiáng)血漿蛋白結(jié)合，延長循環(huán)時(shí)間。-響應(yīng)性設(shè)計(jì)：引入pH或溫度響應(yīng)性聚合物，使藥物在腫瘤微環(huán)境中緩慢釋放。答案3（20分）1.吸附機(jī)理與提高途徑：-機(jī)理：Fe?O?表面羥基和氧空位與Cd2?發(fā)生離子交換和配位吸附。-提高途徑：-增加比表面積：采用溶膠-凝膠法制備超細(xì)Fe?O?（<10nm），提升吸附位點(diǎn)。-改性表面：負(fù)載石墨烯或碳納米管，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)協(xié)同吸附。-調(diào)節(jié)pH：在弱酸性條件下（pH5-6）提高Cd2?溶解度，促進(jìn)吸附。2.優(yōu)化方案：-吸附量提升：采用上述改性方法，目標(biāo)吸附量可達(dá)80mg/g。-動(dòng)態(tài)吸附性能：優(yōu)化流速與接觸時(shí)間，確保出水Cd2?濃度<0.01mg/L。-再生性能：測(cè)試Fe?O?經(jīng)酸洗后的再生率，確?？裳h(huán)使用≥5次。答案4（25分）1.剝落原因分析：-熱膨脹失配：La?O?與高爐耐火材料的熱膨脹系數(shù)差異大（Δα≈15×10??/K），高溫下界面應(yīng)力破裂。-界面結(jié)合弱：傳統(tǒng)涂覆工藝（如噴涂）易形成微裂紋，高溫下應(yīng)力集中導(dǎo)致剝落。2.改進(jìn)方案：-界面增強(qiáng)：采用等離子噴涂技術(shù)，形成冶金結(jié)合界面，提高附著力。-復(fù)合涂層：在La?O?底層添加NiCr合金過渡層，緩沖熱應(yīng)力。-納米復(fù)合化：將La?O?與納米Al?O?混合，降低熱膨脹系數(shù)差異。答案5（30分）1.失效原因與機(jī)理：-失效原因：ZnO納米顆粒團(tuán)聚成微米級(jí)團(tuán)簇，削弱了防腐屏障作用。-微裂紋機(jī)理：海洋鹽霧腐蝕導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力不均，加上ZnO-O鍵脆性，易形成裂紋。2.改進(jìn)方案：-分散優(yōu)化：