第2章 可逆電池的電動勢及其應(yīng)用-2ppt課件

1、)(TE)(TE)(TEpTEzFTQ)(可逆電動勢的定義電動勢的定義通過電池的電流趨于零的情況下開路），兩電極間的電通過電池的電流趨于零的情況下開路），兩電極間的電勢差，等于構(gòu)成電池的各相界面上所產(chǎn)生的電勢差的代數(shù)勢差，等于構(gòu)成電池的各相界面上所產(chǎn)生的電勢差的代數(shù)和。和。電極電勢電極電勢接觸電勢接觸電勢液體接界電勢液體接界電勢絕對電勢絕對電勢 E氧化態(tài)還原態(tài)aanFRTln0氧化態(tài)還原態(tài)aanlg0591. 00能斯特能斯特(Nernst)方程式方程式(電池電動勢與活度的關(guān)系電池電動勢與活度的關(guān)系)dDyYbBaAbBaAdDyYmrmraaaaRTTGpTGln)(),(zFETGzEFP

2、TGmrmr)(,),(bBaAdDyYaaaazFRTEEln由于代入上式得到KRTTGmrln)(由于KRTzFEln標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢23ln2ln2222113MMMMaazFRTEEMeMaazFRTEEMeM溫度為T，離子活度為1時的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢還原態(tài)氧化態(tài)bBaAdDyYaaaazFRTEElnMMMMMMMMaaaaFRTEaaFRTaaFRTEEE3223ln2ln2ln200201MMMMaaaaFRTE32ln20濃差電池濃差電池122121lnln1ln)/(1ln)/(aaFRTaaFRTEEEaFRTAgAgEEaFRTAgAgEEAgaAgNOaAgNOAg)()(2

3、313AgeaAgeaAgAg)()(21)()(12aAgaAg負(fù)極正極)()()(241aHgCdaqCdSOaHgCd)(22)(2221aCdeCdeCdaCd)()(21aCdaCd負(fù)極正極2112ln2ln2aaFRTaaFRTEea)(H)(PH21H12)(PH21)(H22Hea)(PH21)(PH212212H21210)(HPlnaFRTH21220)(HPlnaFRT21H21212122HPPln2)(HPln)(HPlnFRTaFRTaFRTEOZrOOZrOOZrOOCaOZrOOCaOZrO濃度高濃度高濃度低濃度低液體接界電位 液體接界電位 CVE2223. 0

4、)() 1 . 0()()(212sAgaHClsAgClpHCEGKmr,)(),() 1 . 0()(,2sAgsAgClaHClpHPteaqHpH)()(212)()()(aqClsAgesAgCl) 1 . 0()()()(212aHClsAgsAgClpHKRTFzElnE0 已知可求出K0212/ )()(lnpHpHClazFRTEE?6114.0)298(/100.5)(4085.04442424rZnSOVKEkgmolZnSOCVESOZnPbPbSOZn的求此時的時的mmarmmmmmmmraaaaaaaVVSOaZnaEE/100.5/,lg2059.04085.06

5、114.0)()(lg2059.04242因此可求出由?,369. 0,517. 0, )(?),()(,2pHVEVEAgsAgClaaqHClpHptH的已知電池pHVEaFRTHHEEEEEH059. 0ln)/(2PtCeCeFeFe4332,甘汞電極PtCeCePtFeFe4332,214343232321)()(lg059. 061. 1)/()()(lg059. 077. 0)/(EEVCecCecVCeCeEEVFecFecVFeFeEE電勢始終平衡Ce4+EeeeeeecccEEcccEE022011lg059. 0)(lg059. 0)(eeccCeFeCeFecFec04

6、23320的平衡濃度都等于和濃度，則的平衡或?yàn)榈犬?dāng)點(diǎn)時的的起始濃度，為設(shè)兩式相加后eeeeeEEEEEEE)()()()(212121平衡時VVVEEEe19. 1261. 177. 02212.4.1離子選擇性電極及其應(yīng)用離子選擇性電極及其應(yīng)用 是專門測定溶液中某種離子活度的特定指是專門測定溶液中某種離子活度的特定指示電極，其中分為玻璃電極、晶體電極、流動示電極，其中分為玻璃電極、晶體電極、流動載體電極、氣敏電極、酶電極、離子敏感場效載體電極、氣敏電極、酶電極、離子敏感場效應(yīng)晶體管等。應(yīng)晶體管等。優(yōu)點(diǎn)：不破壞溶液的組成，直接、連續(xù)的測定優(yōu)點(diǎn)：不破壞溶液的組成，直接、連續(xù)的測定溶液中的各種微量

7、離子。溶液中的各種微量離子。圖圖2-8 玻璃電極示玻璃電極示意圖意圖由于單個離子的活度和單電極電位都由于單個離子的活度和單電極電位都不能直接通過實(shí)驗(yàn)測定，所以我們常不能直接通過實(shí)驗(yàn)測定，所以我們常選用玻璃電極和參比電極組成一個電選用玻璃電極和參比電極組成一個電池測量其電動勢，并用已知池測量其電動勢，并用已知pHpH值的標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)定，就可以計算出溶液準(zhǔn)緩沖溶液標(biāo)定，就可以計算出溶液的的pHpH值。值。0591. 02802. 0pH0玻EVEEEpHpHVEEEEEpHVEE059. 0)059. 0(059. 0甘汞玻璃玻璃甘汞玻璃甘汞玻璃玻璃玻璃電極是用特制的玻璃例如，其組成為玻璃

8、電極是用特制的玻璃例如，其組成為72%SiO272%SiO2，22%Na2O22%Na2O，6%CaO6%CaO吹制成薄的圓球。里面放吹制成薄的圓球。里面放0.1N0.1N鹽酸和一個銀一氯化銀電鹽酸和一個銀一氯化銀電極，外面放待測溶液由于玻璃球兩面放的是不同極，外面放待測溶液由于玻璃球兩面放的是不同pHpH的溶液，所的溶液，所以在玻璃膜兩面就產(chǎn)生了電位差，這個電位差稱為膜電位。以在玻璃膜兩面就產(chǎn)生了電位差，這個電位差稱為膜電位。 pH0591. 01lg059. 000玻玻玻HanM01lg303. 2anFRT膜0陽離子陽離子Mn+ Mn+ ：nA0lg303. 2anFRT膜nMlg303

9、. 2anFRTEE膜參FaVEE)lg(059. 0FLaFLaF23空穴氟離子選擇性電極未知溶液含F(xiàn)LaFMFMClAgClAg3)1 . 0(, )001. 0(,hmMnNaaaanHOH02lg0591. 0nFG00HlgapH)0591. 0(lg0591. 00nhaannFGmMnNhmMnNaaaanHOH02lg0591. 0)0591. 0(nh1OH2a132OFea6H2Fea3Kaa3FeakJ4 . 8)0 .741(06)2 .237(3)5 .10(26320OFe0HOH0Fe03223GGGGG472. 18 .57058400298314. 8303.

10、 2Kalg0G3FeaM106Fe3a設(shè) 3Fea22Fe0F0lg20591. 021lg20591. 0aFGaeM106Fe3a伏617. 010lg20591. 09650028494063232FeFe0FeFe0lg0591. 0lg0591. 0aaFGaa6FeFe1023aa伏771. 09650074940pH20591. 06lg20591. 02lg20591. 02Fe06H2Fe022aFGaaM106Fe2apH177. 008. 12HH02lg20591. 0aPpH0591. 02O2H0P1lg20591. 0a=1.230.0591pH 22CuOa:

11、 化學(xué)鍍NiWP 3分鐘, b: 化學(xué)鍍NiP 3分鐘, c: 化學(xué)鍍NiWP 1分鐘,d: 化學(xué)鍍NiP 1分鐘, e: Pd晶籽2分鐘，掃描速率：10mV/s 不同沉積時間的薄膜在不同沉積時間的薄膜在NaCl中的陽極極化曲線和中的陽極極化曲線和Ni的的pH電位圖電位圖 NiP和NiWP薄膜在較薄的情況下不易生成鈍化膜，并且生成的鈍化膜厚度也相應(yīng)的較薄，W引入使鈍化膜更容易形成，并且鈍化膜相對較厚。同時由于W原子的引入提高了薄膜的生長速度，在相同的沉積時間內(nèi)NiWP薄膜的生長速度快于NiP薄膜a: NiWP鍍液(A) 3分鐘, b: NiWP鍍液(C) 3分鐘, c: NiP鍍液 3分鐘,

12、d: NiWP鍍液(A) 1分鐘，掃描速率：10mV/s不同鍍液中的不同鍍液中的NiWP薄膜在薄膜在0.5moLL-1H2SO4中掃描第中掃描第一遍后的陽極極化曲線和一遍后的陽極極化曲線和pH電位圖電位圖燃料電池燃料電池燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)用燃料電池因其具有能量轉(zhuǎn)換率高、燃料廣泛、污染小等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用燃料電池因其具有能量轉(zhuǎn)換率高、燃料廣泛、污染小等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于日常生活的許多領(lǐng)域于日常生活的許多領(lǐng)域1839年：年：William Grove 提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理,并發(fā)明了第并發(fā)明了第一個燃料電池。一個燃料電池。1897 年：年：W. Ner

13、nst 用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質(zhì)用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質(zhì),制作成了固制作成了固體氧化物燃料電池。體氧化物燃料電池。1900 年：年：E. Baur 研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)1902 年：年：J . H. Reid 等人先后開始研究堿性燃料電池等人先后開始研究堿性燃料電池(AFC) 1906 年：年：F. Haber 等人做出了固體聚合物燃料電池等人做出了固體聚合物燃料電池(SPFC)1952 年：英國學(xué)者年：英國學(xué)者F. T. Bacon 在借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制出具有在借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制出具有實(shí)用性的

14、培根電池并獲得專利，開拓了現(xiàn)代燃料電池研究的新紀(jì)元實(shí)用性的培根電池并獲得專利，開拓了現(xiàn)代燃料電池研究的新紀(jì)元1959年：質(zhì)子交換膜燃料電池獲得了專利年：質(zhì)子交換膜燃料電池獲得了專利燃料電池發(fā)展簡史燃料電池發(fā)展簡史燃料電池具有高效率的原因燃料電池具有高效率的原因汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值僅為汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值僅為40 %50 %，當(dāng)用熱機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時，當(dāng)用熱機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電時， 其其效率僅為效率僅為35 %40 %;而燃料電池理論上能量轉(zhuǎn)化率在而燃料電池理論上能量轉(zhuǎn)化率在90 %以上以上,在實(shí)際應(yīng)用中在實(shí)際應(yīng)用中,其其綜合利用效率亦可達(dá)綜合利用效率亦可達(dá)70 %以上以上.化學(xué)能化學(xué)能

15、熱能熱能機(jī)械能機(jī)械能電能電能傳統(tǒng)傳統(tǒng)熱機(jī)熱機(jī)發(fā)電發(fā)電化學(xué)能化學(xué)能燃料電池燃料電池電能電能燃料燃料電池電池發(fā)電發(fā)電全球燃料電池的增長全球燃料電池的增長2019年燃料電池應(yīng)用系統(tǒng)為年燃料電池應(yīng)用系統(tǒng)為14500個，比個，比2019年增長了年增長了32%，其中大部，其中大部分是便攜燃料電池和微小型燃料電池分是便攜燃料電池和微小型燃料電池燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)用2019年全球燃料電池使用年全球燃料電池使用的比例中的比例中PEMFC燃料電池燃料電池占占55%，其次是，其次是DMFC2019年全球燃料電池使用年全球燃料電池使用的比例中北美所占的比例的比例中北美所占的比例最大，其次是歐洲，下來最大，其次

16、是歐洲，下來是日本，亞洲最低，說明是日本，亞洲最低，說明我們國家的燃料電池工業(yè)我們國家的燃料電池工業(yè)目前還比較落后目前還比較落后燃料電池的劃分燃料電池的劃分低溫型低溫型 (60-220oC) 堿性燃料電池堿性燃料電池AFC）磷酸燃料電池磷酸燃料電池PAFC）質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC）直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池DMFC）高溫型高溫型(600-1000oC) 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池固態(tài)氧化物燃料電池SOFC） 低溫燃料電池低溫燃料電池(60-120)中溫燃料電池中溫燃料電池(160-220)高溫燃料電池高溫燃料電池(600-10

17、00)類類型型AFCPEMFCDMFCPAFCMCFCSOFC運(yùn)用運(yùn)用太空飛太空飛行、國行、國防防汽車、潛水艇、汽車、潛水艇、便攜式電子設(shè)便攜式電子設(shè)備、家用電源備、家用電源便攜式電子設(shè)便攜式電子設(shè)備、軍用電子備、軍用電子設(shè)備電源設(shè)備電源熱電合并電廠、熱電合并電廠、復(fù)合電廠復(fù)合電廠熱電合并電熱電合并電廠、復(fù)合電廠、復(fù)合電廠廠熱電合并電廠、熱電合并電廠、復(fù)合電廠、家用復(fù)合電廠、家用電源電源開發(fā)開發(fā)的狀的狀態(tài)態(tài)在太空在太空飛行中飛行中的應(yīng)用的應(yīng)用汽車、公共汽汽車、公共汽車、車、250kW分分散電站散電站主要用于手主要用于手機(jī)、筆記本機(jī)、筆記本電腦等小型電腦等小型電池電池具有具有200kW功率功率3

18、MW的的試驗(yàn)電廠試驗(yàn)電廠300kW-1MW電廠電廠特特性性啟動快、啟動快、不適合不適合工業(yè)應(yīng)工業(yè)應(yīng)用用啟動快、與常啟動快、與常規(guī)技術(shù)相比貴規(guī)技術(shù)相比貴發(fā)電效率低、發(fā)電效率低、甲醇易穿透甲醇易穿透膜膜發(fā)電效率相對發(fā)電效率相對較低較低啟動時間長、啟動時間長、腐蝕性電解腐蝕性電解液液發(fā)熱可利用發(fā)熱可利用電解電解質(zhì)質(zhì)氫氧化氫氧化鉀鉀質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 磷酸磷酸鋰和碳酸鉀鋰和碳酸鉀固體陶瓷體固體陶瓷體燃料燃料純氫純氫氫氣甲醇或天氫氣甲醇或天然氣然氣甲醇甲醇天然氣、氫天然氣、氫氣氣天然氣、煤氣、天然氣、煤氣、沼氣、氫氣沼氣、氫氣天然氣、煤氣、天然氣、煤氣、沼氣、氫氣沼氣、氫氣電效電效率率60-70%43

19、-58%30%37-42%50%50-65%質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜各種燃料電池的比較各種燃料電池的比較高溫燃料電池的效率比較高，普遍應(yīng)用在電廠等設(shè)施，低溫燃料電池中堿性燃料電池高溫燃料電池的效率比較高，普遍應(yīng)用在電廠等設(shè)施，低溫燃料電池中堿性燃料電池的效率較高但價格比較昂貴，的效率較高但價格比較昂貴，DMFC的電效率比的電效率比PEMFC低，如何提高低，如何提高DMFC的效率是的效率是目前的研究熱點(diǎn)目前的研究熱點(diǎn)PEMFC DMFC SOFCPEMFCPEMFC SOFCPAFC MCFC SOFC MCFC SOFCSOFC可攜帶式電源可攜帶式電源住宅電源住宅電源車用車用電源電源商用電源商用電

20、源工業(yè)用電廠工業(yè)用電廠分散型電廠分散型電廠110100100010000100000KW燃料電池發(fā)電適用范圍燃料電池發(fā)電適用范圍甲醇和水電子氧氣和水陽極陰極質(zhì)子膜二氧化碳和水氧氣和水?dāng)U散層擴(kuò)散層催化劑層催化劑層Anode Reaction: CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- Cathode Reaction: 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- 3 H2OOverall Cell Reaction: CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2 H2O直接甲醇燃料電池示意圖直接甲醇燃料電池示意圖PEMPt,PtRuPt直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖Fujitsu LaptopHitachi PDAToshiba LaptopNEC LaptopSamsung LaptopDMFC已經(jīng)用于多種已經(jīng)用于多種3C產(chǎn)品產(chǎn)品Methanol inO2 inCO2 ou