Question

【題目】CO2/ HCOOH循環在氫能的貯存/釋放、燃料電池等方面具有重要應用。

(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溶液反應制得)中通入H2生成HCOO-，其離子方程式為__________；其他條件不變，HCO3-轉化為HCOO-的轉化率隨溫度的變化如圖-1所示。反應溫度在40℃~80℃范圍內，HCO3-催化加氫的轉化率迅速上升，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，兩電極區間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。

①電池負極電極反應式為_____________；放電過程中需補充的物質A為_________(填化學式)。

②圖-2所示的 HCOOH燃料電池放電的本質是通過 HCOOH與O2的反應，將化學能轉化為電能，其反應的離子方程式為_______________。

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

①HCOOD催化釋氫反應除生成CO2外，還生成__________(填化學式)。

②研究發現：其他條件不變時，以 HCOOK溶液代替 HCOOH催化釋氫的效果更佳，其具體優點是_______________。

Answer 1

【答案】 溫度升高反應速率增大，溫度升高催化劑的活性增強 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)根據元素守恒和電荷守恒書寫離子方程式；從溫度對反應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轉化為被氧化，所以左側為負極，Fe3+轉化為Fe2+被還原，所以右側為正極。

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

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

(2)①左側為負極，堿性環境中HCOOˉ失電子被氧化為，根據電荷守恒和元素守恒可得電極反應式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= +H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側，根據圖示可知右側的陰離子為硫酸根，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行循環，所以需要補充硫酸根，為增強氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質A為H2SO4；

②根據裝置圖可知電池放電的本質是HCOOH在堿性環境中被氧氣氧化為，根據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根據分析可知HCOOD可以產生HCOOˉ和D+，所以最終產物為CO2和HD(Hˉ與D+結合生成)；

②HCOOK是強電解質，更容易產生HCOOˉ和K+，更快的產生KH，KH可以與水反應生成H2和KOH，生成的KOH可以吸收分解產生的CO2，從而使氫氣更純凈，所以具體優點是：提高釋放氫氣的速率，提高釋放出氫氣的純度。