Question

【題目】CO2/ HCOOH循環(huán)在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應(yīng)用。

(1)CO2催化加氫。在密閉容器中，向含有催化劑的KHCO3溶液(CO2與KOH溶液反應(yīng)制得)中通入H2生成HCOO-，其離子方程式為__________；其他條件不變，HCO3-轉(zhuǎn)化為HCOO-的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖-1所示。反應(yīng)溫度在40℃~80℃范圍內(nèi)，HCO3-催化加氫的轉(zhuǎn)化率迅速上升，其主要原因是_____________。

(2) HCOOH燃料電池。研究 HCOOH燃料電池性能的裝置如圖-2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。

①電池負(fù)極電極反應(yīng)式為_____________；放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為_________(填化學(xué)式)。

②圖-2所示的 HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過 HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式為_______________。

(3) HCOOH催化釋氫。在催化劑作用下， HCOOH分解生成CO2和H2可能的反應(yīng)機(jī)理如圖-3所示。

①HCOOD催化釋氫反應(yīng)除生成CO2外，還生成__________(填化學(xué)式)。

②研究發(fā)現(xiàn)：其他條件不變時，以 HCOOK溶液代替 HCOOH催化釋氫的效果更佳，其具體優(yōu)點(diǎn)是_______________。

Answer 1

【答案】 溫度升高反應(yīng)速率增大，溫度升高催化劑的活性增強(qiáng) H2SO4 或 HD 提高釋放氫氣的速率，提高釋放出氫氣的純度

【解析】

(1)根據(jù)元素守恒和電荷守恒書寫離子方程式；從溫度對反應(yīng)速率的影響以及溫度對催化劑的影響的角度分析。

(2)該裝置為原電池裝置，放電時HCOOˉ轉(zhuǎn)化為被氧化，所以左側(cè)為負(fù)極，Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+被還原，所以右側(cè)為正極。

(3)HCOOH生成HCOOˉ和H+分別與催化劑結(jié)合，在催化劑表面HCOOˉ分解生成CO2和Hˉ，之后在催化劑表面Hˉ和第一步產(chǎn)生的H+反應(yīng)生成H2。

(1)含有催化劑的KHCO3溶液中通入H2生成HCOOˉ，根據(jù)元素守恒和電荷守恒可得離子方程式為：+H2HCOOˉ+H2O；反應(yīng)溫度在40℃~80℃范圍內(nèi)時，隨溫度升高，活化分子增多，反應(yīng)速率加快，同時溫度升高催化劑的活性增強(qiáng)，所以的催化加氫速率迅速上升；

(2)①左側(cè)為負(fù)極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應(yīng)式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= +H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，根據(jù)圖示可知右側(cè)的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進(jìn)行循環(huán)，所以需要補(bǔ)充硫酸根，為增強(qiáng)氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質(zhì)A為H2SO4；

②根據(jù)裝置圖可知電池放電的本質(zhì)是HCOOH在堿性環(huán)境中被氧氣氧化為，根據(jù)電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ = 2+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2；

(3)①根據(jù)分析可知HCOOD可以產(chǎn)生HCOOˉ和D+，所以最終產(chǎn)物為CO2和HD(Hˉ與D+結(jié)合生成)；

②HCOOK是強(qiáng)電解質(zhì)，更容易產(chǎn)生HCOOˉ和K+，更快的產(chǎn)生KH，KH可以與水反應(yīng)生成H2和KOH，生成的KOH可以吸收分解產(chǎn)生的CO2，從而使氫氣更純凈，所以具體優(yōu)點(diǎn)是：提高釋放氫氣的速率，提高釋放出氫氣的純度。