甲醇氧气燃料电池电极反应式书写的思维建模

甲醇氧气燃料电池电极反应式书写的思维建模

廖逢聪

云南省思茅第一中学 云南 普洱 665000

摘要： 甲醇氧气燃料电池电极反应式书写是燃料电池中相对较难的部分，通过探究甲醇氧气燃料电池不同环境的电极反应的机理，有利于对同类燃料电池的反应原理的理解。如通过书写酸性环境（稀H₂SO₄溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O^2-）、熔融的碳酸盐四种环境中的正极和负极的电极反应式，可以建立起一种含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式书写的思维模型，以致能够快速、准确的书写含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式。

关键词： 思维建模；基元反应；燃料电池；电解质溶液

燃料电池电极反应的书写因为环境的不同，所涉及的反应机理不一样，书写起来感觉较为复杂，但如果按照最基本的反应（基元反应）一步一步的书写，最后把这几个反应加合起来，就可以得到最终的电极反应式。书写的基本思路是:按反应的先后顺序，连续写出每一步的基元反应，再利用产物，书写下一步发生的反应，如同链式连锁反应一样，书写到不能书写为止（即直至不反应为止），再把各个反应式相加，得到最终的反应式就是该电极的电极反应式，这种方法可以较为准确书写电极反应式，可以更好的理解和掌握基础燃料电池的反应机理。

高中化学甲醇氧气燃料电池常涉及酸性环境（稀H₂SO₄溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O^2-）环境、熔融的碳酸盐环境等四种反应环境。甲醇燃料电池是高中化学学习中基础的燃料电池。通过甲醇燃料电池电极反应式的书写，可以建立起含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式书写的思维模型。

一、酸性环境（稀H₂SO₄溶液）

酸性环境中，通入燃料的一极为负极，燃料发生氧化反应。甲醇燃料电池CH₃OH被氧化后产物微粒通常为C⁴⁺和H⁺，所以负极发生的第一步反应为：CH₃OH-6e^-= C⁴⁺+ O^2-+4H⁺ ，在水溶液体系中，C⁴⁺和O^2-能与水发生C⁴⁺+2H₂O=CO₂↑+4H⁺和O^2-+2H⁺=H₂O反应，然后利用产物CO₂和H⁺进一步思考下一级的反应，但H⁺和CO₂在酸性体系中不能和其它物质反应，达到链式反应的终点，反应式不能再往下写了，就将这几个反应式相加得：

所得反应式CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺为酸性环境下甲醇氧气燃料电池的负极电极反应式。若根据电池的正负极得失电子守恒，可以写为：2CH₃OH-12e^-+2H₂O=2CO₂↑+12H⁺。

而通入氧气的电极为电池的正极，氧气发生还原反应的第一步为O₂+4e^-=2O^2- ，而O^2-在酸性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续与H⁺发生O^2-+H⁺=OH^—反应，OH^-仍能继续与H⁺发生OH^-+H⁺=H₂O反应。而H₂O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，反应式就写到此，这时把前面的几个基元反应相加得：

而O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O就是甲醇氧气燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式，如果按照电子转移守恒关系来写，则正极反应式也可以写为3O₂+12e^-+12H⁺=6H₂O。所以在酸性环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2CH₃OH-12e^-+2H₂O=2CO₂↑+12H⁺；

正极的电极反应式为：3O₂+12e^-+12H⁺=6H₂O；

原电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=4H₂O+2CO₂↑。

二、碱性环境（稀KOH溶液）

在碱性环境下，负极发生反应的第一步为：CH₃OH-6e^-= C⁴⁺+ O^2-+4H⁺ 。因为在碱性水溶液中，各微粒可以连续发生下列一系列的链式反应：①C⁴⁺+4OH^-=CO₂↑+2H₂O；②CO₂+2OH^-=CO₃^2-+H₂O；③O^2-+2H⁺=H₂O；④H⁺+OH^-=H₂O。而产物中CO₃^2-和H₂O在碱性环境中可以大量存在了，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

所以CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O是甲醇氧气燃料电池碱性环境下的负极电极反应式，或者写为2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O。

正极反应发生的第一步为O₂+4e^-=2O^2- ，O^2-在碱性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续和H⁺反应，而碱性环境中的H⁺是由水电离出来的，因为水是弱电解质，所以反应式写为O^2-+H₂O =2OH^-，而OH^-在碱性体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，达到反应终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

所得反应式O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-就是甲醇氧气燃料电池在碱性环境中的正极电极反应式，或者可以写为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-。所以在碱性环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；

正极的电极反应式为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-；

原电池总反应为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=6H₂O+2CO₃^2-。

三、熔融金属氧化物作介质（能传导O^2-）

熔融金属氧化物作介质的环境下，正极反应比较容易写，并且在书写负极电极反应式时需要结合正极反应转移的电子，按电子守恒来写较容易理解，所以先将容易书写的正极电极反应式书写出来。燃料电池正极氧气被还原的第一步反应为：O₂+4e^-=2O^2- ，而O^2-熔融金属氧化物介质中能独立存在，不能和其它物质反应，反应式书写到此结束，所以O₂+4e^-=2O^2- 就是甲醇氧气燃料电池在熔融金属氧化物介质中的正极电极反应式，但如果负极有2molCH₃OH发生氧化将失去12mole^-，为了便于书写和理解，根据正、负电极得、失电子数守恒，可以将正极反应式书写为：3O₂+12e^-=6O^2-。

若正极有3mol氧气被还原生成6molO^2-，转移12mole^-，根据电子守恒，负极就应该有2molCH₃OH被氧化，且产生8molH⁺。该环境下负极发生反应的第一步为2CH₃OH-12e^-= 2C⁴⁺+8H⁺ +2O^2-，生成的C⁴⁺在熔融金属氧化物作介质中继续与O^2-反应即2C⁴⁺+4O^2-=2CO₂↑（因与H⁺的竞争关系，CO₂还不能发生CO₂+O^2-=CO₃^2-反应），而H⁺与O^2-发生了8H⁺+4O^2-=4H₂O反应，产物中的H₂O和CO₃^2-不会再继续往下反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

所得反应式2CH₃OH-12e^- +6O^2-=2CO₂↑+4H₂O就是甲醇氧气燃料在熔融金属氧化物介质中的负极电极反应式。所以在熔融金属氧化物介质的环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2CH₃OH-12e^- +6O^2-=2CO₂↑+4H₂O；

正极的电极反应式为：3O₂+12e^-=6O^2-；

原电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=4H₂O+2CO₂↑。

四、熔融碳酸盐作介质

在熔融碳酸盐作介质的环境下，为便于书写和理解，假设负极有2molCH₃OH参与反应，根据电子守恒关系，负极发生的第一步反应为2CH₃OH-12e^-=2C⁴⁺+2O^2-+8H⁺，产物微粒H⁺接着和介质中的CO₃^2-发生反应8H⁺+4CO₃^2-=4H₂O+4CO₂↑反应，离子反应因存在竞争关系，所以C⁴⁺先与产物中O^2-发生C⁴⁺+2O^2-=CO₂↑反应，C⁴⁺再与介质中的CO₃^2-发生C⁴⁺+2CO₃^2-=3CO₂↑反与，反应式中的产物H₂O和CO₂都不再与体系中的其它物质反应，达到链式反应的终点，将这四个反应式相加得：

最终的反应式2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2- =4H₂O+8CO₂↑就是该电池的负极电极反应式。

正极区通常通入CO₂和O₂的混合气体，正极发生的第一步为3O₂+12e^-=6O^2- ，产生的O^2-又与CO₂气体发生6O^2-+6CO₂=6CO₃^2-反应。在正极区域，因电解质为熔融碳酸盐，CO₃^2-能独立存在，达到链式反应的终点，反应式不能继续往下写，就将这两个反应式相加得：

反应式3O₂+12e^-+6CO₂=6CO₃^2-就是甲醇氧气燃料电池在熔融碳酸盐介质中的正极电极反应式。所以在熔融碳酸盐作介质的环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2- =4H₂O+8CO₂↑；

正极的电极反应式为：3O₂+12e^-+6CO₂=6CO₃^2-；

原电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=4H₂O+2CO₂↑

通过以上甲醇氧气燃料电池的四种环境中电极反应式的书写，可以构建一种思维模式，这种模式可以运用于其它含碳、氢、氧元素的基础燃料电池的电极反应式的书写，如乙醇、氧气燃料电池等。

参考文献

[1]黄卓等.质子交换膜燃料电池的研究开发和应用[M]. 冶金工业出版社，北京：2002 48～52，106～114

[2]肖钢.燃料电池技术[M].电子工业出版社, 北京：2009-1-1

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