Question

【題目】甲酸被認為是理想的氫能載體，我國科技工作者運用DFT計算研究單分子HCOOH在催化劑表面分解產生H2的反應歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面的物種用*標注

回答下列問題：

(1)該歷程中決速步驟的能壘(活化能)E正=__________eV，該步驟的反應方程式為__________

(2)甲酸分解制氫氣的熱化學方程式為__________

(3)在溫度為383K壓強為p0時，將一定量的HCOOH氣體充入一個盛有催化劑的剛性容器中，達到平衡時，H2的分壓為0.55p0，則該反應α(HCOOH)=______________，該溫度下的壓強平衡常數Kp=__________ (計算結果保留2位有效數字)

(4)HCOOH的分解存在副反應HCOOH(g)CO(g)+H2O(g)

已知H2的選擇性=能夠增大H2選擇性的可能方法是____

(5)甲酸作為直接燃料電池的燃料具有能量密度高的優點若電解質溶液顯酸性，甲酸直接燃料電池的負極反應式為__________，該電池的理論輸出電壓為1.48V，能量密度E=________kW·h/kg(能量密度=電池輸出電能/燃料質量，1kW·h=3.6×106J)

Answer 1

【答案】0.98 HCOOH*=HCOO*+H* HCOOH(g)=CO2(g)+H2(g) △H=-0.15NAeV/mol 55% 0.67p0 選擇合適催化劑 HCOOH-2e-=CO2↑+2H+ 1.72

【解析】

(1)反應所需能壘（活化能）越大，反應速率越慢，而決定該歷程反應速率的是反應速率最慢的一步，即決速步驟是能壘最高的一步，該歷程中三步的能壘分別為[0.77-(-0.21)]eV=0.98eV、(0.89-0.11)eV=0.78eV、[0.46-(-0.08)]eV=0.54ev，所以該歷程中決速步驟的能壘(活化能)E正=0.98eV，該步驟的反應方程式為HCOOH*=HCOO*+H*，故答案為：0.98；HCOOH*=HCOO*+H*；

(2)結合反應歷程可知，1molHCOOH(g)分解得到1molCO2(g)和1molH2(g)釋放0.15eV能量，所以甲酸分解制氫氣的熱化學方程式為HCOOH(g)=CO2(g)+H2(g)△H=-0.15NAeV/mol，故答案為：HCOOH(g)=CO2(g)+H2(g)△H=-0.15NAeV/mol；

(3)因為是剛性容器，所以可將分壓代入三段式解答，平衡時，H2的分壓為0.55p0，所以： ，所以，α(HCOOH)==55%，Kp=≈0.67p0，故答案為：55%；0.67p0；

(4)可選擇合適的催化劑增大氫氣的選擇性，故答案為：選擇合適的催化劑；

(5)甲酸作燃料，失電子，發生的電極反應為：HCOOH-2e-=CO2↑+2H+，1molHCOOH反應轉移2mol電子，則1000gHCOOH轉移×2mol電子，所以電池輸出電能=1.48V××2mol×96500C/mol，則能量密度E=J/kg=kW·h/kg≈1.72kW·h/kg，故答案為：HCOOH-2e-=CO2↑+2H+；1.72。