2、認(rèn)識(shí)發(fā)生在鹽溶液中化學(xué)反應(yīng)

1、 研究電解【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過(guò)對(duì)初中電解水的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成的分析，從宏觀(guān)角度和微觀(guān)角度分析電解水的原理及電解的基本理論，建立分析電解原理的認(rèn)識(shí)模型。（2）應(yīng)用建立的模型分析解釋電解飽和氯化鈉、硫酸鈉溶、氯化銅液，基于宏微結(jié)合和證據(jù)推理，了解離子在電極上放電順序和影響放電順序的因素，進(jìn)一步修正、完善電解的認(rèn)識(shí)模型?！救蝿?wù)1從水的電解，初識(shí)電解原理】 【思考與交流：】1.從微觀(guān)角度分析氫氣和氧氣是怎樣產(chǎn)生的呢？2.為什么H2在陰極生成，而O2在陽(yáng)極生成呢（從微觀(guān)角度分析）？電解池裝置模型：【歸納與整理】分析電解池的一般思路為【任務(wù)2-1.從電解飽和食鹽水，修正、完善電解原理分析模型】 【思考與

2、交流：】請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出該電池的陰、陽(yáng)極NaCl溶液中有什么離子？接通電源后，這些離子如何移動(dòng)？ （4）陰、陽(yáng)極上什么離子放電呢？ 實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程用鉛芯做電極，電解飽和氯化鈉溶液猜想與假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想陽(yáng)極陰極觀(guān)察實(shí)驗(yàn)、記錄現(xiàn)象陽(yáng)極陰極實(shí)驗(yàn)結(jié)論電極反應(yīng)式陽(yáng)極陰極電極反應(yīng)類(lèi)型陽(yáng)極陰極總反應(yīng)式總反應(yīng)式【任務(wù)2-2.從電解硫酸鈉溶液，完善電解原理分析模型】實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程用鉛芯做電極，電解飽和硫酸鈉溶液猜想與假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想陰極觀(guān)察實(shí)驗(yàn)、記錄現(xiàn)象陽(yáng)極陰極實(shí)驗(yàn)結(jié)論電極反應(yīng)式陽(yáng)極陰極總反應(yīng)式【任務(wù)2-4.從電解氯化銅溶液，完善電解原理分析模型】實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程用鉛芯做電極，電解飽和氯化銅溶液猜想與假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)

3、驗(yàn)、驗(yàn)證猜想陽(yáng)極觀(guān)察實(shí)驗(yàn)、記錄現(xiàn)象陽(yáng)極陰極實(shí)驗(yàn)結(jié)論電極反應(yīng)式陽(yáng)極陰極總反應(yīng)式【任務(wù)3 改變陽(yáng)極材料（將實(shí)驗(yàn)2-4電極互換)，電解氯化銅溶液，完善電解原理分析模型】我的總結(jié)：電解池結(jié)構(gòu)模型2.分析電解反應(yīng)的一般模型電解水制氫實(shí)現(xiàn)富余電力轉(zhuǎn)化氫能和電能都是重要的二次能源，也是未來(lái)主要的綠色清潔能源。氫氣無(wú)污染、零排放，在未來(lái)人類(lèi)生活生產(chǎn)中扮演極其重要的角色。氫能具有遠(yuǎn)距離輸送、大規(guī)模存儲(chǔ)和氫電互換的特性，目前主要的生產(chǎn)方式包括化石燃料制氫、電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員、論文通訊作者陳亮在采訪(fǎng)中向中國(guó)科學(xué)報(bào)解釋說(shuō)：“目前，工業(yè)上主要采用化石燃料重整制氫，化石燃料可以

4、是天然氣、石油和煤。采用這種方法制備氫氣所含的能量因?yàn)闊釗p失會(huì)低于原始的化石燃料所含的能量。此外，采用這種方法制備氫氣并不會(huì)降低二氧化碳的排放，因?yàn)橹卣茪涞倪^(guò)程所排放的二氧化碳與直接燃燒化石燃料所排放的二氧化碳是一樣的。”目前，實(shí)驗(yàn)室階段正在研究的替代化石燃料重整制氫的方法有生物法制氫、電解水制氫、光電化學(xué)制氫和光電催化制氫，其中電解水制氫技術(shù)在工業(yè)上已經(jīng)有一定規(guī)模的應(yīng)用。電解水制氫的主要目的是將富余電力轉(zhuǎn)化為氫能。中國(guó)有世界上最大的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，然而太陽(yáng)能、風(fēng)能存在間歇性問(wèn)題，受晝夜變化、氣候因素限制?！半姷拇鎯?chǔ)一直是個(gè)難題，所發(fā)出用不完的電要么輸入到國(guó)家電網(wǎng)、要么進(jìn)行能換轉(zhuǎn)化，否

5、則只能浪費(fèi)掉。因?yàn)樘?yáng)能、風(fēng)能發(fā)出的電不穩(wěn)定，直接輸入到電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題。因此需要大力發(fā)展富余電力轉(zhuǎn)化技術(shù)?！标惲两忉屨f(shuō)。新型高效酸性析氧電催化劑根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水制氫可分為堿性電催化制氫和酸性電催化制氫。陳亮解釋說(shuō)，電解水包括兩個(gè)半反應(yīng)陰極上的析氫反應(yīng)和陽(yáng)極上的析氧反應(yīng)。根據(jù)電解質(zhì)的不同分為堿性電解水和酸性電解水。對(duì)于堿性電解水，難點(diǎn)是陰極上的析氫；而對(duì)于酸性電解水，難點(diǎn)是陽(yáng)極上的析氧。據(jù)介紹，目前業(yè)內(nèi)對(duì)堿性電解水研究已經(jīng)較為透徹，工業(yè)上也有一定的應(yīng)用。但與堿性電解水性比，酸性電解水更受青睞，其理由是“酸性電解水的反應(yīng)速率快了23個(gè)數(shù)量級(jí)，副產(chǎn)物少，并且可以使用質(zhì)子交換膜（pro

6、ton exchange membrane, PEM），進(jìn)而使得電解槽非常輕便”。而限制酸性電解水發(fā)展的瓶頸正是陽(yáng)極上的析氧反應(yīng)，目前尚缺乏高效的酸性析氧電催化劑。而此次陳亮團(tuán)隊(duì)提供了一種高效的新型酸性析氧電催化劑CrO2-RuO2固溶體材料，并提出了相應(yīng)的機(jī)理解釋。團(tuán)隊(duì)中的林貽超博士基于Cr基金屬有機(jī)框架材料，通過(guò)吸附RuCl3前驅(qū)體、退火等手段成功制備出新型CrO2-RuO2固溶體材料。通過(guò)PXRD晶修、Vegardslaw驗(yàn)證等技術(shù)確定了CrO2-RuO2固溶體的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)原子分辨球差電鏡直接觀(guān)察到Cr、Ru原子均勻分布于同一個(gè)納米單晶中。陳亮指出，該制備過(guò)程非常簡(jiǎn)單，其中最關(guān)鍵的是選

7、擇一種合適的、可以大量吸附RuCl3的Cr基金屬有機(jī)框架材料。“金屬有機(jī)框架材料至今已經(jīng)報(bào)道了數(shù)萬(wàn)種，Cr基的也有上千種，如果盲目篩選工作量非常大。得益于將近十年關(guān)于金屬有機(jī)框架材料研究積累，實(shí)現(xiàn)了快速切入?！苯Y(jié)果顯示，CrO2-RuO2固溶體材料用于酸性電催化制氫陽(yáng)極上的析氧電催化劑，降低反應(yīng)的過(guò)電勢(shì)，即降低反應(yīng)的能耗。該材料在10mAcm-2電流密度下，其過(guò)電位僅為178mV，并且經(jīng)過(guò)10000次循環(huán)后，過(guò)電位僅升高了11mV，遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)RuO2。通過(guò)同步輻射近邊吸收測(cè)試發(fā)現(xiàn)Ru原子在晶體結(jié)構(gòu)中由于4價(jià)Cr的強(qiáng)吸電子作用，價(jià)態(tài)略高于+4價(jià)，并且Ru-O的鍵長(zhǎng)變短。該團(tuán)隊(duì)的田子奇博士通過(guò)密度

8、泛函模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，正是由于晶格中+4價(jià)Cr的吸電子作用導(dǎo)致Ru的催化活性變高，降低了反應(yīng)能壘。此外，值得注意的是，該固溶體材料中貴金屬Ru的含量?jī)H占40%，可顯著降低催化劑的成本。據(jù)介紹，RuO2和IrO2以及它們的衍生物是目前公認(rèn)的具有酸性析氧電催化活性的催化劑。其中IrO2基材料的酸性析氧活性非常穩(wěn)定，但是Ir的價(jià)格非常昂貴，目前的Ir金屬的市場(chǎng)價(jià)約390元/克。相比之下，Ru金屬是最便宜的鉑族元素，價(jià)格約60元/克。雖然RuO2基材料的酸性析氧電催化活性較高，但是很不穩(wěn)定。而此次報(bào)道的新型CrO2-RuO2固溶體材料目前具有最高的酸性析氧電催化活性，并且在10mAcm-2的電流密度下可以穩(wěn)