(12分)車載甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)將甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的工 藝有兩種:(1)水蒸氣變換(重整)法;(2)空氣氧化法。兩種工藝都得 到副產(chǎn)品CO。
1.分別寫出這兩種工藝的化學(xué)方程式,通過計算,說明這兩種工藝的優(yōu)缺點。有關(guān)資料(298 .15K)列于表3。
表3 物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
物質(zhì) | ΔfHm/kJ?mol-1 | Sm/J?K-1?mol-1 |
CH3OH(g) | -200.66 | 239.81 |
CO2(g) | -393.51 | 213.64 |
CO(g) | -110.52 | 197.91 |
H2O(g) | -241.82 | 188.83 |
H2 (g) | 0 | 130.59 |
2.上述兩種工藝產(chǎn)生的少量CO會吸附在燃料電池的Pt或其他貴金屬催化劑表面,阻礙H2的吸附和電氧化,引起燃料電池放電性能急劇下降,為此,開發(fā)了除去CO的方法,F(xiàn)有一組實驗結(jié)果(500K)如表4。
表中PCO、PO2 分別為CO和O2的分壓;rco為以每秒每個催化劑Ru活性位上所消耗的CO分子數(shù)表示的CO的氧化速率。(1)求催化劑Ru上CO氧化反應(yīng)分別對CO和O2的反應(yīng)級數(shù)(取整數(shù)),寫出 速率方程。(2)固體Ru表面具有吸附氣體分子的能力,但是氣體分子只有碰到空活性位才可能發(fā)生吸附作用。當(dāng)已吸附分子的熱運動的動能足以克服固體引力場的勢壘時,才能脫附,重新回到氣相。假設(shè)CO和O2的吸附與脫附互不影響,并且表面是均勻的,以θ表示氣體分子覆蓋活性位的百分?jǐn)?shù)(覆蓋度),則氣體的吸附速率與氣體的壓力成正比,也與固體表面的空活性位數(shù)成正比。研究提出CO在Ru上的氧化反應(yīng)的一種機(jī)理如下:
其中kco,ads、 kco,des分別為CO在Ru的活性位上的吸附速率常數(shù)和脫附速率常數(shù),ko2,ads為O2在Ru的活性位上的吸附速率常數(shù)。M表示Ru催化劑表面上的活性位。CO在Ru表面活性位上的吸附比O2的吸附強(qiáng)得多。試根據(jù)上述反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)CO在催化劑Ru表面上氧化反應(yīng)的速率方程(不考慮O2的脫附;也不考慮產(chǎn)物CO2的吸附),并與實驗結(jié)果比較。
3.有關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)函數(shù)(298.15 K)如表5。
表5 物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
物質(zhì) | ΔfHm/kJ?mol-1 | Sm/J?K-1?mol-1 |
H2 (g) | 0 | 130.59 |
O2(g) | 0 | 205.03 |
H2O (g) | -241.82 | 188.83 |
H2O (l) | -285.84 | 69.94 |
在373.15K,100kPa下,水的蒸發(fā)焓Δvap Hm=40.64kJ?mol-1,在298.15~3
73.15K間水的等壓熱容為75.6 J?K-1?mol-1。(1)將上述工藝得到的富氫氣體作為質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料。燃料電池的理論效率是指電池所能做的最大電功相對于燃料反應(yīng)焓變的效率。在298.15K,100 kPa下,當(dāng)1 molH2燃燒分別生成H2O(l) 和 H2O(g)時,計算燃料電池工作的理論效率,并分析兩者存在差別的原因。(2)若燃料電池在473.15 K、100 kPa下工作,其理論效率又為多少(可忽略焓 變和嫡變隨溫度的變化)?(3)說明(1)和(2)中的同一反應(yīng)有不同理論效率的原因。
1.化學(xué)方程式:
甲醇水蒸氣變換(重整)的化學(xué)反應(yīng)方程式為:
CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g) (1) (1分)
甲醇部分氧化的化學(xué)反應(yīng)方程式為:
CH3OH(g)+O 2 (g)=CO2(g)+2H2(g) (2) (1分)
以上兩種工藝都有如下副反應(yīng):
CO2(g)+H2(g)= CO(g)+H2O(g) (3) (1分)
反應(yīng)(1)、(2)的熱效應(yīng)分別為:
ΔfHm(1)=(-393.51+200.66+241.82)kJ?mol-1=48.97 kJ?mol-1 (1分)
ΔfHm(2)=(-393.51+200.66)kJ?mol-1=-192.85 kJ?mol-1 (1分)
上述熱力學(xué)計算結(jié)果表明,反應(yīng)(1)吸熱,需要提供一個熱源,這是其缺點;反應(yīng)(1)的H2收率高,這是其優(yōu)點。反應(yīng)(2)放熱,可以自行維持,此為優(yōu)點;反應(yīng)(2)的氏收率較低,且會被空氣(一般是通人空氣進(jìn)行氧化重整)中的N2所稀釋,因而產(chǎn)品中的H2濃度較低,此為其缺點。(2分)
2.(1)CO的氧化反應(yīng)速率可表示為:⑷(1分)
將式(4)兩邊取對數(shù),有
將題給資料分別作圖,得兩條直線,其斜率分別為:
α≈-1(1分)β≈1(1分)
另解:pco保持為定值時,將兩組實驗資料( rco、pO2)代人式⑷,可求得
一個β值,將不同組合的兩組實驗資料代人式⑷,即可求得幾個β值,取
其平均值,得β≈1(若只計算1個β值,扣0.5分)
同理,在保持pO2為定值時,將兩組實驗資料(rco, pco)代人式⑷,可求得
一個α值,將不同組合的兩組實驗資料代人式⑷,即可求得幾個α值,取
其平均值,得α≈-1(若只計算1個α值,扣0 .5分)
因此該反應(yīng)對CO為負(fù)一級反應(yīng),對O2為正一級反應(yīng),速率方程為:(1分)
(2)在催化劑表面,各物質(zhì)的吸附或脫附速率為:
式中θv, θco分別為催化劑表面的空位分?jǐn)?shù)、催化劑表面被CO分子占有的
分?jǐn)?shù)。表面物種O-M達(dá)平衡、OC-M達(dá)吸附平衡時,有:
⑻(2分) ⑼(1分)
于是,有⑽,
k為CO在催化劑Ru活性位的氧化反應(yīng)的表觀速率常數(shù)。
由于CO在催化劑表面吸附很強(qiáng)烈,即有θco≈1,在此近似下,由式⑽得到: ⑾。1分)
上述導(dǎo)出的速率方程與實驗結(jié)果一致。
另解:CO和O2吸附于催化劑Ru的活性位上,吸附的CO與吸附的O2之間的表面反應(yīng)為速率控制步驟,則可推出下式:
(4分)
上式中的k、kco、ko2是包含kco,ads、ko2,ads、kco,des等參數(shù)的常數(shù)。
根據(jù)題意,在Ru的表面上,CO的吸附比O2的吸附強(qiáng)得多,則有
ko2Po2≈0 (1分),kcoPco>>1(1分)
于是上式可簡化為式⑾,即:rco=kPo2/Pco
按上述推導(dǎo),同樣給分。
3.(1)H2(g)+O2(g)→H2O(l) (1)
298.15 K時上述反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)變化為:
ΔrHm(1)= -285.84 kJ?mol-1 (1分)
ΔrSm(1)=(69.94-130.59-205.03/2)J?K-1?mol-1=-163.17 J?K-1?mol-1
(1分)
ΔrGm(1)=ΔrHm(1)-TΔrSm(1)
=(-285.84+298.15×163.17×10-3)kJ?mol-1=-237.19 kJ?mol-1(1分)
燃料電池反應(yīng)(1)的理論效率為:(1分)
H2(g)+O2(g)→H2O(g) (2)
反應(yīng)(2)的熱力學(xué)函數(shù)變化為:(1分)
燃料電池反應(yīng)(2)的理論效率為:(1分)
兩個反應(yīng)的ΔrGm(1)與ΔrGm(2)相差不大,即它們能輸出的最大電能相近;然而,這兩個反應(yīng)的熱函變化ΔrHm(1)與ΔrHm(2)相差大,有:
ΔΔH=ΔrHm(2)-ΔrHm(1)=44.01 kJ?mol-1
上述熱函變化差ΔΔH恰好近似為圖5流程的熱函變化:
上述結(jié)果表明,由于兩個燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物不同,所釋放的熱能(熱函變化)也不同,盡管其能輸出的最大電能相近,但其燃料電池的理論效率仍然相差較大。(2分)
(2)在473.15 K下,對于反應(yīng)(2),有:
ΔrHm(2)= -241.82 kJ?mol-1 (1分)
ΔrSm(2)= -44.28J?K-1?mol-1 (1分)
ΔrGm(2)=ΔrHm(2)-TΔrSm(2)=-220.88 kJ?mol-1(1分)
∴η(2)=ΔrGm(2)/ΔrHm(2)=91.3%(1分)
(3)比較(1)和(2)的計算結(jié)果,說明燃料電池的理論效率是隨其工作溫度而變化的,隨著溫度降低,其理論效率升高。反應(yīng)的ΔrGm隨溫度而變化,ΔrGm隨溫度的變化主要是由TΔrSm引起的。(2分)
科目:高中化學(xué) 來源: 題型:
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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:
(7分)德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇車載制氫氧燃料電池工藝,其原理如右圖所示,請觀察此圖回答:
(1)甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的兩種反應(yīng)原理是
①CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g);△H=+ 49.0 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)+O2(g)=2CO2(g)+4H2(g);△H=-385.8kJ·mol-1
下列說法正確的是
A.反應(yīng)①中反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量
B.反應(yīng)①中拆開CH3OH(g)和H2O(g)中的化學(xué)鍵所需能量大于形成CO2(g)和3H2(g) 中的化學(xué)鍵所釋放的能量
C.CH3OH蒸氣的燃燒熱為大于192.9 kJ·mol-1
D.根據(jù)②推知反應(yīng):2CH3OH(l)+ O2(g)=2CO2(g)+4H2(g)的△H>-385.8kJ·mol-1
(2)最近科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想:把空氣吹入碳酸鉀溶液,然后再把CO2從溶液中提取出來,經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后使空氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕剂霞状。若?.2kg CO2與足量H2恰好完全反應(yīng),生成氣態(tài)的水和甲醇,可放出2473.5 kJ的熱量,試寫出合成塔中發(fā)生反應(yīng)的熱化學(xué)方程式 。
(3)可給筆記本電腦供電的甲醇燃料電池已經(jīng)面世,其結(jié)構(gòu)示意圖如右圖。甲醇在催化劑作用下提供質(zhì)子(H+)和電子,電子經(jīng)外電路、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達(dá)另一電極后與氧氣反應(yīng),電池總反應(yīng)為:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。b處通入的物質(zhì)是 ,負(fù)極反應(yīng)為: 。
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科目:高中化學(xué) 來源:2010年北京市八一中學(xué)高二第二學(xué)期期末考試化學(xué)試卷 題型:填空題
(7分)德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇車載制氫氧燃料電池工藝,其原理如右圖所示,請觀察此圖回答:
(1)甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的兩種反應(yīng)原理是
①CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g);△H=" +" 49.0 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)+O2(g)=2CO2(g)+4H2(g);△H=-385.8kJ·mol-1
下列說法正確的是
A.反應(yīng)①中反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量 |
B.反應(yīng)①中拆開CH3OH(g)和H2O(g)中的化學(xué)鍵所需能量大于形成CO2(g)和3H2(g)中的化學(xué)鍵所釋放的能量 |
C.CH3OH蒸氣的燃燒熱為大于192.9 kJ·mol-1 |
D.根據(jù)②推知反應(yīng):2CH3OH(l)+ O2(g)=2CO2(g)+4H2(g)的△H>-385.8kJ·mol-1 |
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科目:高中化學(xué) 來源:2010年北京市高二第二學(xué)期期末考試化學(xué)試卷 題型:填空題
(7分)德國克萊斯公司成功研制了利用甲醇車載制氫氧燃料電池工藝,其原理如右圖所示,請觀察此圖回答:
(1)甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的兩種反應(yīng)原理是
①CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g);△H= + 49.0 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)+O2(g)=2CO2(g)+4H2(g);△H=-385.8kJ·mol-1
下列說法正確的是
A.反應(yīng)①中反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量
B.反應(yīng)①中拆開CH3OH(g)和H2O(g)中的化學(xué)鍵所需能量大于形成CO2(g)和3H2(g) 中的化學(xué)鍵所釋放的能量
C.CH3OH蒸氣的燃燒熱為大于192.9 kJ·mol-1
D.根據(jù)②推知反應(yīng):2CH3OH(l)+ O2(g)=2CO2(g)+4H2(g)的△H>-385.8kJ·mol-1
(2)最近科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想:把空氣吹入碳酸鉀溶液,然后再把CO2從溶液中提取出來,經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后使空氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕剂霞状。若?.2kg CO2與足量H2恰好完全反應(yīng),生成氣態(tài)的水和甲醇,可放出2473.5 kJ的熱量,試寫出合成塔中發(fā)生反應(yīng)的熱化學(xué)方程式 。
(3)可給筆記本電腦供電的甲醇燃料電池已經(jīng)面世,其結(jié)構(gòu)示意圖如右圖。甲醇在催化劑作用下提供質(zhì)子(H+)和電子,電子經(jīng)外電路、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達(dá)另一電極后與氧氣反應(yīng),電池總反應(yīng)為:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。b處通入的物質(zhì)是 ,負(fù)極反應(yīng)為: 。
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