2、認識發(fā)生在鹽溶液中化學(xué)反應(yīng)

1、 研究電解【學(xué)習(xí)目標】通過對初中電解水的實驗現(xiàn)象及實驗裝置構(gòu)成的分析，從宏觀角度和微觀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識模型。（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，進一步修正、完善電解的認識模型?！救蝿?wù)1從水的電解，初識電解原理】 【思考與交流：】1.從微觀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在陽極生成呢（從微觀角度分析）？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：】請在圖中標出該電池的陰、陽極NaCl溶液中有什么離子？接通電源后，這些離子如何移動？ （4）陰、陽極上什么離子放電呢？ 實驗探究過程用鉛芯做電極，電解飽和氯化鈉溶液猜想與假設(shè)設(shè)計實驗、驗證猜想陽極陰極觀察實驗、記錄現(xiàn)象陽極陰極實驗結(jié)論電極反應(yīng)式陽極陰極電極反應(yīng)類型陽極陰極總反應(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】實驗探究過程用鉛芯做電極，電解飽和硫酸鈉溶液猜想與假設(shè)設(shè)計實驗、驗證猜想陰極觀察實驗、記錄現(xiàn)象陽極陰極實驗結(jié)論電極反應(yīng)式陽極陰極總反應(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】實驗探究過程用鉛芯做電極，電解飽和氯化銅溶液猜想與假設(shè)設(shè)計實

3、驗、驗證猜想陽極觀察實驗、記錄現(xiàn)象陽極陰極實驗結(jié)論電極反應(yīng)式陽極陰極總反應(yīng)式【任務(wù)3 改變陽極材料（將實驗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，也是未來主要的綠色清潔能源。氫氣無污染、零排放，在未來人類生活生產(chǎn)中扮演極其重要的角色。氫能具有遠距離輸送、大規(guī)模存儲和氫電互換的特性，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中向中國科學(xué)報解釋說：“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為熱損失會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降低二氧化碳的排放，因為重整制氫的過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，實驗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。中國有世界上最大的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，然而太陽能、風(fēng)能存在間歇性問題，受晝夜變化、氣候因素限制。“電的存儲一直是個難題，所發(fā)出用不完的電要么輸入到國家電網(wǎng)、要么進行能換轉(zhuǎn)化，否

5、則只能浪費掉。因為太陽能、風(fēng)能發(fā)出的電不穩(wěn)定，直接輸入到電網(wǎng)中會產(chǎn)生一系列問題。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。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，電解水包括兩個半反應(yīng)陰極上的析氫反應(yīng)和陽極上的析氧反應(yīng)。根據(jù)電解質(zhì)的不同分為堿性電解水和酸性電解水。對于堿性電解水，難點是陰極上的析氫；而對于酸性電解水，難點是陽極上的析氧。據(jù)介紹，目前業(yè)內(nèi)對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個數(shù)量級，副產(chǎn)物少，并且可以使用質(zhì)子交換膜（pro

6、ton exchange membrane, PEM），進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。而此次陳亮團隊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)的機理解釋。團隊中的林貽超博士基于Cr基金屬有機框架材料，通過吸附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PXRD晶修、Vegardslaw驗證等技術(shù)確定了CrO2-RuO2固溶體的結(jié)構(gòu)，并通過原子分辨球差電鏡直接觀察到Cr、Ru原子均勻分布于同一個納米單晶中。陳亮指出，該制備過程非常簡單，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基金屬有機框架材料。“金屬有機框架材料至今已經(jīng)報道了數(shù)萬種，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)于金屬有機框架材料研究積累，實現(xiàn)了快速切入。”結(jié)果顯示，CrO2-RuO2固溶體材料用于酸性電催化制氫陽極上的析氧電催化劑，降低反應(yīng)的過電勢，即降低反應(yīng)的能耗。該材料在10mAcm-2電流密度下，其過電位僅為178mV，并且經(jīng)過10000次循環(huán)后，過電位僅升高了11mV，遠優(yōu)于商業(yè)RuO2。通過同步輻射近邊吸收測試發(fā)現(xiàn)Ru原子在晶體結(jié)構(gòu)中由于4價Cr的強吸電子作用，價態(tài)略高于+4價，并且Ru-O的鍵長變短。該團隊的田子奇博士通過密度

8、泛函模擬計算發(fā)現(xiàn)，正是由于晶格中+4價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的含量僅占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的價格非常昂貴，目前的Ir金屬的市場價約390元/克。相比之下，Ru金屬是最便宜的鉑族元素，價格約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)