《微項(xiàng)目 設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案-化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用》參考課件

微項(xiàng)目

設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)

電池與氧氣再生方案

——化學(xué)反應(yīng)中能量及物

質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用1項(xiàng)目活動(dòng)一嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池【項(xiàng)目任務(wù)】為載人航天器設(shè)計(jì)化學(xué)電源。【限定條件】

盡量提高化學(xué)電源單位質(zhì)量所提供的能量(質(zhì)量盡量小，續(xù)航盡量長)。1．氫氧燃料電池被

稱為最適合載人航天器的化學(xué)電源，你認(rèn)為原因是什么？(1)具有單位質(zhì)量輸出電能較高;(2)運(yùn)輸成本低;(3)反應(yīng)成的水可作飲用水;(4)氧氣可作備用氧源供給呼吸等?！締栴}討論】2．構(gòu)成電池的必要結(jié)構(gòu)是什么？這些結(jié)構(gòu)具有怎樣的性質(zhì)或作用？電極反應(yīng)物：得失電子物質(zhì)；電極材料：得失電子場(chǎng)所；離子導(dǎo)體：傳導(dǎo)離子；電子導(dǎo)體：傳遞電子。【問題討論】【資料】1.鉑、鎳等金屬對(duì)燃料電池反應(yīng)具有催化活性【探究任務(wù)一

優(yōu)化電極材料】離子導(dǎo)體環(huán)境電極材料酸性環(huán)境多孔碳載鉑堿性環(huán)境多孔碳載鎳請(qǐng)嘗試為酸性環(huán)境和堿性環(huán)境中的電池設(shè)計(jì)電極材料?！举Y料】2.現(xiàn)有的燃料電池中電極材料的選擇:【資料】①電池性能與電池內(nèi)阻有關(guān);②電導(dǎo)率越大，導(dǎo)電性越好;③溫度升高，電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率升高。

【探究任務(wù)二

優(yōu)化電極材料】【問題】依據(jù)上述信息，你會(huì)如何選擇離子導(dǎo)體及其工作環(huán)境，原因是什么?選擇30%左右的硫酸或30%左右的KOH溶液;鹽酸有揮發(fā)性，鹽類電導(dǎo)率小，不能選擇;工作溫度盡量高

【資料證據(jù)】1.最早投入研究的是以硫酸溶液為離子導(dǎo)體的燃料電池，但硫酸溶液腐蝕性強(qiáng)，電池?zé)o法長時(shí)間工作。

2.最早投入使用的航天器用燃料電池是以KOH溶液為離子導(dǎo)體，碳載鎳作為電極材料。【探究任務(wù)三】解決電解質(zhì)稀釋問題

1.右圖是“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)的示意圖。相同點(diǎn)：都是選用KOH溶液作電池反應(yīng)時(shí)的離子導(dǎo)體。(1)請(qǐng)將該電池和你在本章第2節(jié)中設(shè)計(jì)的氫氧燃料電池進(jìn)行比較、說明異同。不同點(diǎn)：“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池為多孔碳載鎳電極，氫氣和氧氣是從電池外部輸入的，電池反應(yīng)所生成的水輸送到電池外部，而我們?cè)O(shè)計(jì)的氫氧燃料電池為石墨電極，氫氣和氧氣是用電解水得到的。2.我們目前設(shè)計(jì)的以氫氧化鉀為離子導(dǎo)體的燃料電池，在工作中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻增大的問題，你認(rèn)為可能的原因是什么?如何解決該問題?電極反應(yīng)生成水，使電解質(zhì)離子濃度降低;思考并設(shè)計(jì)解決方法，重點(diǎn)關(guān)注從電池的哪一極將水排出。

【資料證據(jù)】堿性燃料電池在負(fù)極設(shè)置排水裝置。方法:①利用氫氣流將水蒸氣吹出;②利用泵將電解液抽出，在外部濃縮;③利用毛細(xì)作用，將水在負(fù)極蒸發(fā)?！拘〗Y(jié)】排水方式雖然不同，但是考慮在哪一極設(shè)置排水裝置都是必須要考慮的問題，而解決該問題的方法關(guān)注電極反應(yīng)與離子導(dǎo)體存在相互影響(微粒的種類和濃度)。3、解決電解質(zhì)變質(zhì)問題

【資料】在實(shí)際使用中，KOH溶液的離子導(dǎo)體還有一些問題，主要艙內(nèi)二氧化碳污染使電池壽命降低，使用壽命不超過5000小時(shí)。此外，氫氧化鉀有毒，對(duì)生成水的飲用造成影響。這促使人們?nèi)ふ移渌碾x子導(dǎo)體。

【問題】你認(rèn)為，如果開發(fā)新型的離子導(dǎo)體，應(yīng)該具有哪些性質(zhì)?質(zhì)量輕，電導(dǎo)率大，性質(zhì)穩(wěn)定，離子濃度穩(wěn)定，無毒等。

【問題討論】【資料】質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是一種高分子材料，厚度僅有幾百微米，含有酸性基團(tuán)，被水潤濕后可電離出氫離子。質(zhì)子交換膜內(nèi)為酸性環(huán)境，且只允許氫離子通過，以質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體的氫氧燃料電池工作壽命可高達(dá)57000小時(shí)。電導(dǎo)率優(yōu)于或等于電解質(zhì)溶液型離子導(dǎo)體。【問題】你對(duì)質(zhì)子交換膜的工作原理還有哪些疑問?你認(rèn)為，質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)有哪些?輕薄、內(nèi)阻小、可以隔絕氫氣氧氣、無二氧化碳污染。設(shè)計(jì)裁人航天器中的化學(xué)電源總結(jié)歸納4.電子導(dǎo)體選擇反應(yīng)電極反應(yīng)微粒種類濃度1.電極反應(yīng)2.電極材料性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)量、成本

3.離子導(dǎo)體電導(dǎo)率、性質(zhì)穩(wěn)定、離子種類濃度穩(wěn)定、質(zhì)量

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

堿性(-)2H2-4e-+40H-

4H2O

(+)02+2H2O+4e-

4OH-

酸性(-)2H2-4e-

4H+(+)O?+4H++4e-

2H20項(xiàng)目活動(dòng)二嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案【項(xiàng)目任務(wù)】設(shè)計(jì)載人航天器內(nèi)的氧氣再生方法。【限定條件】航天器內(nèi)攜帶物品(物質(zhì)及能源)有限。【問題討論】1.人呼出的氣體中含有水和二氧化碳，請(qǐng)你思考氧氣再生的方案？并對(duì)這些方案作出評(píng)價(jià)。①過氧化鈉與水和二氧化碳反應(yīng)：②光合作用：③電解水：

過氧化鈉不能循環(huán)，不能完全滿足物質(zhì)稀缺的限制條件速率不夠滿足需求可以將水中的氧元素完全轉(zhuǎn)化，得到的氫氣可再利用，但電解水耗能。項(xiàng)目成果展示：2．載人航天器中能量轉(zhuǎn)化形式3．根據(jù)載人航天器的限定條件，物質(zhì)轉(zhuǎn)化最理想的方式應(yīng)符合的條件：應(yīng)符合綠色化學(xué)原理，原子利用率達(dá)到100%。

【資料】【思考】如何根據(jù)以上資料設(shè)計(jì)將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的方法？薩巴蒂爾反應(yīng)在300～400℃時(shí)轉(zhuǎn)化率較高，顯然控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度非常重要。要設(shè)計(jì)控制反應(yīng)器內(nèi)溫度的方案，需要知道該反應(yīng)的熱效應(yīng)。在該條件下，副反應(yīng)比較多，測(cè)定薩巴蒂爾反應(yīng)的熱效應(yīng)困難較大，我們可以通過理論計(jì)算來了解該反應(yīng)的熱效應(yīng)。【資料】Sabatier反應(yīng)：4H?+CO?

CH4+2H?O，將Sabatier反應(yīng)、電解水裝置聯(lián)合使用是目前一種真實(shí)研究的航天器內(nèi)氧氣再生方法高溫根據(jù)蓋斯定律，將4×①－②得，CO2(g)＋4H2(g)=4CH4(g)＋2H2O(g)ΔH＝－164.9kJ·mol－1，ΔH<0。將進(jìn)入反應(yīng)器的氣體提前加熱至反應(yīng)溫度。反應(yīng)器配有冷卻裝置，及時(shí)將過多的反應(yīng)熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量及從反應(yīng)器出來的氣體帶走的熱量可以繼續(xù)利用。載人航天器的氧氣再生方案人富集裝置Sabatier反應(yīng)器電解水裝置CH4CO?O?H?OH?1．將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料是目前的研究熱點(diǎn)，《科學(xué)》雜志曾報(bào)道的一種將CO2轉(zhuǎn)化為烴和醇的裝置如圖所示。下列說法正確的是(

)A．圖中能量轉(zhuǎn)化的方式只有1種B．裝置工作時(shí)，H＋向X極移動(dòng)，Y極周圍溶液的pH增大C．X極上得到CH3OH的電極反應(yīng)式為2CO2＋4H2O＋12e－=2CH3OH＋3O2D．若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過18mol電子D課堂練習(xí)2．利用如圖所示裝置可以將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為燃料氣體CO，下列說法正確的是()A．該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程B．電極a上發(fā)生還原反應(yīng)C．該裝置工作時(shí)，H＋從b極區(qū)向a極區(qū)移動(dòng)D．該裝置中每生成1molCO，同時(shí)生成1molO2A3.一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(

)A.電子流向是從吸附層M通過導(dǎo)線到吸附層NB.Na+從左邊穿過離子交換膜向右邊移動(dòng)C.離子交換膜可用質(zhì)子交換膜D.負(fù)極的電極反應(yīng)是:H2-2e-+2OH-===2H2OC4.太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。氮化鎵(GaN)光