Question

【題目】鈉離子電池由于成本低、資源豐富，成為取代鋰離子電池在大規模儲能領域應用的理想選擇。作為鈉離子電池的正極材料之一，束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線電極材料成為關注焦點之一。其制備工藝流程如圖：

（資料）

①石煤的主要成分為V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等雜質。

②+5價釩在溶液中的主要存在形式與溶液pH的關系如下表。

（1）K3V2(PO4)3中V的化合價為___。

（2）焙燒時，向石煤中加生石灰，將V2O3轉化為Ca(VO3)2。

①為了提高焙燒過程中氧化效率，下述工藝步驟方法合理的是___。

a.在回轉窯進行富氧焙燒，助燃風氣量為煤氣量的0.5~2倍

b.焙燒過程中，在焙燒物料中加入輔助劑，增加物料疏松度和透氣性

c.窯體進行分段控溫

d.調控料層厚度為窯體的2/3高度

②焙燒過程中主要反應的化學方程式為__________。

（3）實驗時將NH4VO3、KOH和H3PO4按物質的量分別為5mmol、7.5mmol、7.5mmol依次溶解于20mL去離子水中，溶液顏色依次為白色渾濁、無色澄清透明和棕紅色透明溶液。隨后再加入H2C2O4·2H2O，攪拌至溶液變為黃綠色，草酸的量對K3V2(PO4)3形貌的影響如下：

①實驗條件下束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線樣品制備的最佳條件為___。

②亞硫酸鈉是常用的還原劑，但實驗中不能用亞硫酸鈉代替草酸晶體，原因是___。

（4）加入的草酸晶體是過量的，其中只有的草酸為還原劑，將VO3-還原成VO2+，的草酸以C2O42-的形式存在，此過程中反應的離子方程式為___。

（5）“氬氣中煅燒”時，氬氣的作用是___。

（6）某工廠利用上述工藝流程，用10t石煤生產束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線0.8064t，若整個過程中釩的總回收率為80%，則石煤中釩元素的質量分數為___。

Answer 1

【答案】+3 a、b、c 草酸質量為6.0g 草酸在合成束狀碳包覆K2V2(PO4)3納米線的過程中不僅做還原劑還影響其形貌 防止K2V2(PO4)3被氧化 2.04%

【解析】

石煤的主要成分為V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等雜質，在空氣中焙燒，生成Ca(VO3)2，固體進行酸浸，生成Fe3+、Al3+、Ca2+、等，加入萃取劑將含的物質萃取，然后進行反萃取操作將含的物質提純，向所得溶液中加入沉淀劑生成NH4VO3，NH4VO3與KOH、H3PO4反應后得到棕紅色透明含溶液，然后向溶液中加入過量草酸晶體發生氧化還原反應，將還原成VO2+，然后進行干燥，將固體在氬氣中煅燒制備束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線，以此解答。

（1）K3V2(PO4)3中K元素化合價為+1價，帶3個單位負電荷，根據化合物化合價為0可知，V呈+3價；

（2）①a．焙燒過程中V元素被氧化，在富氧環境中焙燒有利于提高氧化效率，故a符合題意；

b．增加物料疏松度和透氣性可提高固體反應的效率以及反應速率，可提高氧化效率，故b符合題意；

c．分段控溫可防止過熱導致固體結塊，可提高氧化效率，故c符合題意；

d．若料層厚度過高，不利于反應的充分進行，因此需降低料層的厚度，故d不符合題意；

故答案為：a、b、c；

②焙燒過程中V2O3轉化為Ca(VO3)2，V元素化合價升高，因此空氣中O2參加反應，其反應方程式為：；

（3）①由表格可知，若要制備出均一的束狀K3V2(PO4)3納米線，則草酸的量為6.0g；

②草酸在合成過程中作還原劑，由表格可知，草酸晶體的使用量不同，納米線的形貌也會發生該變，因此選用草酸晶體而不用亞硫酸鈉的原因為：草酸在合成束狀碳包覆K2V2(PO4)3納米線的過程中不僅做還原劑還影響其形貌；

（4）草酸只有的草酸為還原劑，草酸被氧化為CO2，并將還原成VO2+，的草酸以的形式存在，根據氧化還原轉移電子守恒、電荷守恒以及原子守恒可知該離子反應方程式為：；

（5）K3V2(PO4)3中V呈+3價，容易被空氣中氧氣氧化，因此用氬氣作保護氣，防止K3V2(PO4)3被氧化；

（6）設石煤中釩元素的質量分數為，根據整個過程中V元素質量守恒可得：

，=，解得=0.0204，則石煤中釩元素的質量分數為2.04%。