Question

設計出燃料電池使汽油氧化直接產生電流是本世紀最富有挑戰性的課題之一。近年有人制造了一種燃料電池，一電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣。電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳遞O^2-。請根據題給信息回答下列問題：
（1）以丁烷代替汽油，這個電池放電時發生的電池反應是_____________。
（2）這個電池正極發生的電極反應是
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿_，負極發生的電極反應是_________________＿＿＿，固體電解質里的O^2-的移動方向是____________________，向外電路釋放電子的電極是______________。
（3）人們追求燃料電池氧化汽油而不是在內燃機里燃燒汽油產生動力的主要原因是
_________________________。
（4）ZrO₂晶體里摻雜Y₂O₃，用Y³⁺代替晶體內的部分Zr⁴⁺，對提高固體電解質的導電能力起什么作用？你認為其可能的原因是什么？
（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應不完全產生的__________會堵塞電極的氣體通道。有人估計，完全避免這種副反應至少還需10年時間，這正是新一代化學家的歷史使命。

Answer 1

（1）2C₄H₁₀＋13O₂→8CO₂＋10H₂O
（2）13O₂＋52e^-→26O^2-；2C₄H₁₀＋26O^2-→8CO₂＋10H₂O+52e^-；向負極移動；負極
（3）燃料電池具有較高的能量利用率（或內燃機能量利用率較低）
（4）為維持電荷平衡，晶體中的O^2-將減少（或導致O^2-缺陷），從而使O^2-得以在電場作用下向負極（或陽極）移動。
（5）碳（或炭粒）
【試題分析】
解析：燃料電池是利用物質發生化學反應時釋放出的能量，直接將其轉化為電能的裝置。它工作時需要連續不斷地向負極供給燃料（氫氣、甲烷、汽油等），向正極供給氧化劑（O₂、空氣）。
（1）燃料氣體被氧化劑氧化而發生了氧化反應，故汽油燃料電池放電時的電池反應為2C₄H₁₀+13O₂→8CO₂+10H₂O。
（2）根據燃料電池原理，放電時，負極發生的是氧化反應，電極反應為2C₄H₁₀+26O^2-→8CO₂+10H₂O+52e^-；正極發生的是還原反應，電極反應為13O₂+52e^-→26O^2-。由電池的正、負極反應可以看出，負極持續反應需要O^2-的參與，正極反應不斷產生O^2-，所以電解質里的O^2-的移動方向是由正極移向負極。電池的負極發生氧化反應，失去電子，因而向外電路釋放電子的電極是負極。
（3）燃料電池是把燃料通過化學反應所產生的化學能直接轉化為電能的“能量轉化器”，其能量轉化率很高，可達75%以上，而內燃機的能量轉化率較低。
（4）依據電荷守恒原理，摻有Y₂O₃的ZrO₂晶體中O^2-比純ZrO₂晶體中的O^2-減少了，造成晶體中O^2-缺陷，從而使得O^2-在電場作用下向負極移動。
（5）題中已給出信息暗示，“氧化反應不完全”即汽油不完全燃燒，因為含碳化合物不完全燃燒的固體產物是炭粒，即炭粒堵塞了電極的氣體通道。