Question

(10分)設計出燃料電池使天然氣CH₄氧化直接產生電流是對世紀最富有挑戰性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電池，一個電極通入空氣，另一電極通入天然氣，電池的電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2－離子�；卮鹑缦聠栴}：

（1）這個電池的正極發生的反應是：                                 ；(2分)

（2）負極發生的反應是：                                              ；(2分)

（3）固體電解質里的O^2－的移動方向是：                                ；(2分)

（4）天然氣燃料電池最大的障礙是氧化反應不完全，產生          堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應至少還需10年時間，正是新一代化學家的歷史使命。(2分)

（5）若將此甲烷燃料電池設計成在25%的KOH溶液中的電極反應，該電池的負極區域的堿性會__________(填“增強”、“減弱”或“不變”)。(2分)

 

Answer 1

【答案】

（1）O₂+4e^-=2O^2-（2分）    （2）CH₄-8e^-=CO₂+2H₂O（2分）

（3）正極流向負極（2分）  （4）碳（2分）     （5）減弱（2分）

【解析】（1）原電池中正極得到電子，所以氧氣在正極通入。又因為電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2－離子，所以正極電極反應式為O₂+4e^-=2O^2-。

（2）負極失去電子，因此甲烷在負極通入，甲烷的氧化產物是CO₂和水，所以電極反應式為CH₄-8e^-=CO₂+2H₂O。

（3）原電池中，負極失去電子，所以陰離子流向負極。

（4）甲烷不完全反應，可能產生碳單質堵塞電極的氣體通道。

（5）如果電解質是氫氧化鈉，則負極電極反應式為H₂－2e^－＋2OH^－＝2H₂O，所以負極周圍溶液的堿性減弱。