第2章 可逆电池的电动势及其应用-2ppt课件

1、)(TE)(TE)(TEpTEzFTQ)(可逆电动势的定义电动势的定义通过电池的电流趋于零的情况下开路），两电极间的电通过电池的电流趋于零的情况下开路），两电极间的电势差，等于构成电池的各相界面上所产生的电势差的代数势差，等于构成电池的各相界面上所产生的电势差的代数和。和。电极电势电极电势接触电势接触电势液体接界电势液体接界电势绝对电势绝对电势 E氧化态还原态aanFRTln0氧化态还原态aanlg0591. 00能斯特能斯特(Nernst)方程式方程式(电池电动势与活度的关系电池电动势与活度的关系)dDyYbBaAbBaAdDyYmrmraaaaRTTGpTGln)(),(zFETGzEFP

2、TGmrmr)(,),(bBaAdDyYaaaazFRTEEln由于代入上式得到KRTTGmrln)(由于KRTzFEln标准电池电动势23ln2ln2222113MMMMaazFRTEEMeMaazFRTEEMeM温度为T，离子活度为1时的标准电极电势还原态氧化态bBaAdDyYaaaazFRTEElnMMMMMMMMaaaaFRTEaaFRTaaFRTEEE3223ln2ln2ln200201MMMMaaaaFRTE32ln20浓差电池浓差电池122121lnln1ln)/(1ln)/(aaFRTaaFRTEEEaFRTAgAgEEaFRTAgAgEEAgaAgNOaAgNOAg)()(2

3、313AgeaAgeaAgAg)()(21)()(12aAgaAg负极正极)()()(241aHgCdaqCdSOaHgCd)(22)(2221aCdeCdeCdaCd)()(21aCdaCd负极正极2112ln2ln2aaFRTaaFRTEea)(H)(PH21H12)(PH21)(H22Hea)(PH21)(PH212212H21210)(HPlnaFRTH21220)(HPlnaFRT21H21212122HPPln2)(HPln)(HPlnFRTaFRTaFRTEOZrOOZrOOZrOOCaOZrOOCaOZrO浓度高浓度高浓度低浓度低液体接界电位 液体接界电位 CVE2223. 0

4、)() 1 . 0()()(212sAgaHClsAgClpHCEGKmr,)(),() 1 . 0()(,2sAgsAgClaHClpHPteaqHpH)()(212)()()(aqClsAgesAgCl) 1 . 0()()()(212aHClsAgsAgClpHKRTFzElnE0 已知可求出K0212/ )()(lnpHpHClazFRTEE?6114.0)298(/100.5)(4085.04442424rZnSOVKEkgmolZnSOCVESOZnPbPbSOZn的求此时的时的mmarmmmmmmmraaaaaaaVVSOaZnaEE/100.5/,lg2059.04085.06

5、114.0)()(lg2059.04242因此可求出由?,369. 0,517. 0, )(?),()(,2pHVEVEAgsAgClaaqHClpHptH的已知电池pHVEaFRTHHEEEEEH059. 0ln)/(2PtCeCeFeFe4332,甘汞电极PtCeCePtFeFe4332,214343232321)()(lg059. 061. 1)/()()(lg059. 077. 0)/(EEVCecCecVCeCeEEVFecFecVFeFeEE电势始终平衡Ce4+EeeeeeecccEEcccEE022011lg059. 0)(lg059. 0)(eeccCeFeCeFecFec04

6、23320的平衡浓度都等于和浓度，则的平衡或为等当点时的的起始浓度，为设两式相加后eeeeeEEEEEEE)()()()(212121平衡时VVVEEEe19. 1261. 177. 02212.4.1离子选择性电极及其应用离子选择性电极及其应用 是专门测定溶液中某种离子活度的特定指是专门测定溶液中某种离子活度的特定指示电极，其中分为玻璃电极、晶体电极、流动示电极，其中分为玻璃电极、晶体电极、流动载体电极、气敏电极、酶电极、离子敏感场效载体电极、气敏电极、酶电极、离子敏感场效应晶体管等。应晶体管等。优点：不破坏溶液的组成，直接、连续的测定优点：不破坏溶液的组成，直接、连续的测定溶液中的各种微量

7、离子。溶液中的各种微量离子。图图2-8 玻璃电极示玻璃电极示意图意图由于单个离子的活度和单电极电位都由于单个离子的活度和单电极电位都不能直接通过实验测定，所以我们常不能直接通过实验测定，所以我们常选用玻璃电极和参比电极组成一个电选用玻璃电极和参比电极组成一个电池测量其电动势，并用已知池测量其电动势，并用已知pHpH值的标值的标准缓冲溶液标定，就可以计算出溶液准缓冲溶液标定，就可以计算出溶液的的pHpH值。值。0591. 02802. 0pH0玻EVEEEpHpHVEEEEEpHVEE059. 0)059. 0(059. 0甘汞玻璃玻璃甘汞玻璃甘汞玻璃玻璃玻璃电极是用特制的玻璃例如，其组成为玻璃

8、电极是用特制的玻璃例如，其组成为72%SiO272%SiO2，22%Na2O22%Na2O，6%CaO6%CaO吹制成薄的圆球。里面放吹制成薄的圆球。里面放0.1N0.1N盐酸和一个银一氯化银电盐酸和一个银一氯化银电极，外面放待测溶液由于玻璃球两面放的是不同极，外面放待测溶液由于玻璃球两面放的是不同pHpH的溶液，所的溶液，所以在玻璃膜两面就产生了电位差，这个电位差称为膜电位。以在玻璃膜两面就产生了电位差，这个电位差称为膜电位。 pH0591. 01lg059. 000玻玻玻HanM01lg303. 2anFRT膜0阳离子阳离子Mn+ Mn+ ：nA0lg303. 2anFRT膜nMlg303

9、. 2anFRTEE膜参FaVEE)lg(059. 0FLaFLaF23空穴氟离子选择性电极未知溶液含FLaFMFMClAgClAg3)1 . 0(, )001. 0(,hmMnNaaaanHOH02lg0591. 0nFG00HlgapH)0591. 0(lg0591. 00nhaannFGmMnNhmMnNaaaanHOH02lg0591. 0)0591. 0(nh1OH2a132OFea6H2Fea3Kaa3FeakJ4 . 8)0 .741(06)2 .237(3)5 .10(26320OFe0HOH0Fe03223GGGGG472. 18 .57058400298314. 8303.

10、 2Kalg0G3FeaM106Fe3a设 3Fea22Fe0F0lg20591. 021lg20591. 0aFGaeM106Fe3a伏617. 010lg20591. 09650028494063232FeFe0FeFe0lg0591. 0lg0591. 0aaFGaa6FeFe1023aa伏771. 09650074940pH20591. 06lg20591. 02lg20591. 02Fe06H2Fe022aFGaaM106Fe2apH177. 008. 12HH02lg20591. 0aPpH0591. 02O2H0P1lg20591. 0a=1.230.0591pH 22CuOa:

11、 化学镀NiWP 3分钟, b: 化学镀NiP 3分钟, c: 化学镀NiWP 1分钟,d: 化学镀NiP 1分钟, e: Pd晶籽2分钟，扫描速率：10mV/s 不同沉积时间的薄膜在不同沉积时间的薄膜在NaCl中的阳极极化曲线和中的阳极极化曲线和Ni的的pH电位图电位图 NiP和NiWP薄膜在较薄的情况下不易生成钝化膜，并且生成的钝化膜厚度也相应的较薄，W引入使钝化膜更容易形成，并且钝化膜相对较厚。同时由于W原子的引入提高了薄膜的生长速度，在相同的沉积时间内NiWP薄膜的生长速度快于NiP薄膜a: NiWP镀液(A) 3分钟, b: NiWP镀液(C) 3分钟, c: NiP镀液 3分钟,

12、d: NiWP镀液(A) 1分钟，扫描速率：10mV/s不同镀液中的不同镀液中的NiWP薄膜在薄膜在0.5moLL-1H2SO4中扫描第中扫描第一遍后的阳极极化曲线和一遍后的阳极极化曲线和pH电位图电位图燃料电池燃料电池燃料电池的应用燃料电池的应用燃料电池因其具有能量转换率高、燃料广泛、污染小等特点已被广泛应用燃料电池因其具有能量转换率高、燃料广泛、污染小等特点已被广泛应用于日常生活的许多领域于日常生活的许多领域1839年：年：William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的原理提出了氢和氧反应可以发电的原理,并发明了第并发明了第一个燃料电池。一个燃料电池。1897 年：年：W. Ner

13、nst 用氧化钇和氧化锆的混合物作为电解质用氧化钇和氧化锆的混合物作为电解质,制作成了固制作成了固体氧化物燃料电池。体氧化物燃料电池。1900 年：年：E. Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料电池研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)1902 年：年：J . H. Reid 等人先后开始研究碱性燃料电池等人先后开始研究碱性燃料电池(AFC) 1906 年：年：F. Haber 等人做出了固体聚合物燃料电池等人做出了固体聚合物燃料电池(SPFC)1952 年：英国学者年：英国学者F. T. Bacon 在借鉴前人研究经验的基础上研制出具有在借鉴前人研究经验的基础上研制出具有实用性的

14、培根电池并获得专利，开拓了现代燃料电池研究的新纪元实用性的培根电池并获得专利，开拓了现代燃料电池研究的新纪元1959年：质子交换膜燃料电池获得了专利年：质子交换膜燃料电池获得了专利燃料电池发展简史燃料电池发展简史燃料电池具有高效率的原因燃料电池具有高效率的原因汽轮机或柴油机的效率最大值仅为汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40 %50 %，当用热机带动发电机发电时，当用热机带动发电机发电时， 其其效率仅为效率仅为35 %40 %;而燃料电池理论上能量转化率在而燃料电池理论上能量转化率在90 %以上以上,在实际应用中在实际应用中,其其综合利用效率亦可达综合利用效率亦可达70 %以上以上.化学能化学能

15、热能热能机械能机械能电能电能传统传统热机热机发电发电化学能化学能燃料电池燃料电池电能电能燃料燃料电池电池发电发电全球燃料电池的增长全球燃料电池的增长2019年燃料电池应用系统为年燃料电池应用系统为14500个，比个，比2019年增长了年增长了32%，其中大部，其中大部分是便携燃料电池和微小型燃料电池分是便携燃料电池和微小型燃料电池燃料电池的应用燃料电池的应用2019年全球燃料电池使用年全球燃料电池使用的比例中的比例中PEMFC燃料电池燃料电池占占55%，其次是，其次是DMFC2019年全球燃料电池使用年全球燃料电池使用的比例中北美所占的比例的比例中北美所占的比例最大，其次是欧洲，下来最大，其次

16、是欧洲，下来是日本，亚洲最低，说明是日本，亚洲最低，说明我们国家的燃料电池工业我们国家的燃料电池工业目前还比较落后目前还比较落后燃料电池的划分燃料电池的划分低温型低温型 (60-220oC) 碱性燃料电池碱性燃料电池AFC）磷酸燃料电池磷酸燃料电池PAFC）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池PEMFC）直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池DMFC）高温型高温型(600-1000oC) 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC）固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池SOFC） 低温燃料电池低温燃料电池(60-120)中温燃料电池中温燃料电池(160-220)高温燃料电池高温燃料电池(600-10

17、00)类类型型AFCPEMFCDMFCPAFCMCFCSOFC运用运用太空飞太空飞行、国行、国防防汽车、潜水艇、汽车、潜水艇、便携式电子设便携式电子设备、家用电源备、家用电源便携式电子设便携式电子设备、军用电子备、军用电子设备电源设备电源热电合并电厂、热电合并电厂、复合电厂复合电厂热电合并电热电合并电厂、复合电厂、复合电厂厂热电合并电厂、热电合并电厂、复合电厂、家用复合电厂、家用电源电源开发开发的状的状态态在太空在太空飞行中飞行中的应用的应用汽车、公共汽汽车、公共汽车、车、250kW分分散电站散电站主要用于手主要用于手机、笔记本机、笔记本电脑等小型电脑等小型电池电池具有具有200kW功率功率3

18、MW的的试验电厂试验电厂300kW-1MW电厂电厂特特性性启动快、启动快、不适合不适合工业应工业应用用启动快、与常启动快、与常规技术相比贵规技术相比贵发电效率低、发电效率低、甲醇易穿透甲醇易穿透膜膜发电效率相对发电效率相对较低较低启动时间长、启动时间长、腐蚀性电解腐蚀性电解液液发热可利用发热可利用电解电解质质氢氧化氢氧化钾钾质子交换膜质子交换膜 磷酸磷酸锂和碳酸钾锂和碳酸钾固体陶瓷体固体陶瓷体燃料燃料纯氢纯氢氢气甲醇或天氢气甲醇或天然气然气甲醇甲醇天然气、氢天然气、氢气气天然气、煤气、天然气、煤气、沼气、氢气沼气、氢气天然气、煤气、天然气、煤气、沼气、氢气沼气、氢气电效电效率率60-70%43

19、-58%30%37-42%50%50-65%质子交换膜质子交换膜各种燃料电池的比较各种燃料电池的比较高温燃料电池的效率比较高，普遍应用在电厂等设施，低温燃料电池中碱性燃料电池高温燃料电池的效率比较高，普遍应用在电厂等设施，低温燃料电池中碱性燃料电池的效率较高但价格比较昂贵，的效率较高但价格比较昂贵，DMFC的电效率比的电效率比PEMFC低，如何提高低，如何提高DMFC的效率是的效率是目前的研究热点目前的研究热点PEMFC DMFC SOFCPEMFCPEMFC SOFCPAFC MCFC SOFC MCFC SOFCSOFC可携带式电源可携带式电源住宅电源住宅电源车用车用电源电源商用电源商用电

20、源工业用电厂工业用电厂分散型电厂分散型电厂110100100010000100000KW燃料电池发电适用范围燃料电池发电适用范围甲醇和水电子氧气和水阳极阴极质子膜二氧化碳和水氧气和水扩散层扩散层催化剂层催化剂层Anode Reaction: CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- Cathode Reaction: 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- 3 H2OOverall Cell Reaction: CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2 H2O直接甲醇燃料电池示意图直接甲醇燃料电池示意图PEMPt,PtRuPt直接甲醇燃料电池结构示意图直接甲醇燃料电池结构示意图Fujitsu LaptopHitachi PDAToshiba LaptopNEC LaptopSamsung LaptopDMFC已经用于多种已经用于多种3C产品产品Methanol inO2 inCO2 ou