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。回答如下問題：
（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

（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）

（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。