氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

電解水式燃料電池作為原電池與電解池知識的綜合應(yīng)用實(shí)例，在幫助學(xué)生建立電化學(xué)過程系統(tǒng)分析思路、構(gòu)建電化學(xué)認(rèn)識模型方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確將制作簡單的燃料電池列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。人教版《化學(xué)（選擇性必修1）》中[2]，電解在U型管中進(jìn)行（圖1a）。由于兩電極間距較大，電極間正對面積較小，導(dǎo)致電池內(nèi)阻較大，電解水效率低下。在實(shí)際演示中，該裝置僅能使靈敏電流計發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，難以帶動小風(fēng)扇等電器，實(shí)驗(yàn)演示效果不佳。蘇教版《化學(xué)（必修第二冊）》3則將裝置設(shè)置在燒杯中（圖1b）。這種設(shè)計縮短了電極間距離，增大了正對面積，降低了內(nèi)阻，接入小功率電器后能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，演示效果相對較好。但該裝置也存在明顯缺陷，兩極距離過近，缺乏明顯分區(qū)，無法使用指示劑等手段表征兩極pH變化等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不利于學(xué)生理解燃料電池各部分的作用以及“氧化還原反應(yīng)分區(qū)進(jìn)行”的內(nèi)涵。此外，上述兩種裝置在電池充電（即電解水）時，兩極附近氣泡逸出的現(xiàn)象較為明顯；但在電池放電時，學(xué)生很難觀察到碳棒表面吸附的微小氣泡，容易對反應(yīng)物產(chǎn)生錯誤判斷。因此，對氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改進(jìn)具有重要的意義。

圖1a人教版實(shí)驗(yàn)裝置;b蘇教版實(shí)驗(yàn)裝置

43，53.

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2 相關(guān)文獻(xiàn)簡評

隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的確定，清潔環(huán)保的燃料電池受到了廣泛關(guān)注。近年來，大量旨在提高教學(xué)效果的燃料電池改進(jìn)研究不斷涌現(xiàn)。通過查閱各類期刊文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)燃料電池實(shí)驗(yàn)的研究主要集中在以下四個方面。

（1）對燃料電池實(shí)驗(yàn)條件的探究。如，文吉槐[4]則使用不同種類的電解質(zhì)飲料替代硫酸鈉溶液，探究了不同飲料對燃料電池性能的影響。

（2）選擇其他材料作為電極（如鉛筆芯、泡沫鎳、廢舊電池中的碳棒等）。如，王新福[5將多塊泡沫鎳組裝成塔狀電極，有效增加了小風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動時間；王愛華[6]通過對比鉛筆芯電極、石墨電極與鎳泡電極的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生探究電極的作用。

（3）改進(jìn)反應(yīng)容器，縮短兩極的距離或使反應(yīng)裝置微型化。如，丁志強(qiáng)采用三孔V型管組裝燃料電池，實(shí)現(xiàn)氫氧燃料電池的微型化；陳靜采用三頸燒瓶和長玻璃管組合作為實(shí)驗(yàn)裝置，將兩極分隔開的同時，縮短了兩極距離。

（4）在碳棒上包裹材料（如海綿、PAN基碳纖維氈等），以提高電極對氣體的吸附作用。如，陳靜9用紗布固定包裹有活性炭顆粒的碳棒。這種方法因材料易于獲取，且能讓學(xué)生親自動手制作電極，受到一線教師的青睞。然而，電極被包裹后，學(xué)生無法觀察到電極在充電時的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，難以通過現(xiàn)象判斷電解水時的陰陽極和燃料電池的正負(fù)極。基于此，我們對燃料電池實(shí)驗(yàn)的電極包裹材料進(jìn)行了研究和改進(jìn)，在提高燃料電池性能的同時，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，以期有更好的課堂演示效果和教育意義。

3實(shí)驗(yàn)部分

3.1實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：不同直徑 （5/6/7/8/9/10mm ）多孔碳棒各兩根、一次性塑料手套、鐵架臺、試管（ Φ 16mm× 100mm ） 250mL 燒杯、小風(fēng)扇 、0～15V 穩(wěn)壓電源、導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)藥品： Na₂SO₄ 溶液（ 1mol/L 、紫甘藍(lán)提取液、瓊脂粉。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1瓊脂凝膠溶液的配制

稱量 1.0g 瓊脂粉置于燒杯中，加水 100mL ，加入紫甘藍(lán)提取液與 2.5g 硫酸鈉固體，加熱至瓊脂完全溶解，制得瓊脂凝膠溶液。

3.2.2瓊脂凝膠包裹碳棒

剪下一次性塑料手套的中指部分，套進(jìn)試管中并固定試管于鐵架臺上。把第一步制備的凝膠溶液趁熱倒入其中，將活化后的碳棒插入試管中心，固定碳棒于鐵架臺上（如圖2a所示）。待凝膠溶液冷卻凝固后，從手套中剝出凝膠膜包裹的碳棒，制得瓊脂凝膠包裹的碳棒電極（ Φ 16mm×100mm ）。

3.2.3組裝與測試電池

將制得的電極放入盛有 1mol/L 硫酸鈉溶液的燒杯中。連接穩(wěn)壓電源，在9V直流電下電解60s，再斷開外接電源，連接用電器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2b所示。

圖2a電極制作方式示意圖；b改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1碳棒直徑對電池性能影響分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳棒直徑對燃料電池性能有較大影響，為篩選最佳的碳棒直徑，選擇在9V電壓下電解 1mol/L 的硫酸鈉溶液60s，在燒杯中分別測試裸露的碳棒與瓊脂凝膠包裹的碳棒帶動小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的時間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裸露碳棒直徑從 5mm 增加到10mm 時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間僅從15s增加到 39s 。而相對裸露碳棒，瓊脂凝膠包裹的碳棒使小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間整體明顯增加。當(dāng)瓊脂包裹 5mm 碳棒時，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動時間增加到56s，在碳棒直徑為 8mm 時達(dá)到最大值 130s 此后隨著碳棒直徑增加，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間減小，但都大于裸露碳棒對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間。這是因?yàn)椋环矫嫣及糁睆皆酱螅湮綒錃馀c氧氣的量越多；另一方面，以 16mm 直徑的試管為模具制備瓊脂凝膠碳棒時，隨著碳棒直徑增大，瓊脂凝膠膜厚度減小，導(dǎo)致凝膠膜包裹氣體的能力下降。綜合這兩個因素，瓊脂凝膠包裹碳棒使小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。基于以上研究結(jié)果，后續(xù)測試選用 8mm 直徑的碳棒。

3.3.2 現(xiàn)象可視化分析

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

瓊脂包裹的碳棒，在30s時陰極附近的瓊脂變?yōu)榧t色，并且有少量氣泡生成；陽極的碳棒在生成氣體的同時，其附近的瓊脂變?yōu)闇\綠色。繼續(xù)電解至60s時，肉眼可見兩極碳棒附近有大量氣泡生成，在瓊脂的包裹下圍繞在碳棒附近，并且陰陽極完全變色，分別變?yōu)榧t色和黃色。電解60s后斷開外接電源，裸露的碳棒氣體迅速逸出，難以觀察到氣泡的吸附；而瓊脂包裹的碳棒，可以清晰觀察到兩極氣體的吸附，并且在瓊脂的包裹下，氣泡能維持較長時間。

（2）理論分析

電解后，該燃料電池的正極為酸性環(huán)境，電極反應(yīng)式為 4H⁺+4e^-+O₂=2H₂O ；負(fù)極為堿性環(huán)境，電極反應(yīng)式為 2H₂-4e^-+40H^-=4H₂O ;根據(jù)能斯特方程，可計算兩極的電極電動勢（ T=298K ）：

燃料電池的電動勢 E=φ_（iF#）-φ_（iff#） 。分析發(fā)現(xiàn)，電動勢不僅與兩極氣體濃度成正比，還與正極的氫離子濃度和負(fù)極的氫氧根離子濃度成正比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，瓊脂凝膠的包裹不僅提高了碳棒附近氣體的濃度，紫甘藍(lán)指示劑顯示電解后兩極分別保持了較高的氫離子和氫氧根離子濃度。這表明瓊脂凝膠減緩了電解過程中兩極產(chǎn)生的氫離子與氫氧根離子的擴(kuò)散速率，從而顯著提升了電池的電動勢。

3.3.3改進(jìn)有效性分析

為進(jìn)一步探究改進(jìn)措施的有效性，使用直徑 8mm 的碳棒分別進(jìn)行了循環(huán)放電測試、電壓測試和電流測試。在9V電壓下電解 1mol/L 的 Na₂SO₄ 溶液60s后，連接傳感器或小型用電器，定量探究電池的性能。

（1）循環(huán)放電測試

對電極進(jìn)行5次循環(huán)充放電，以小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間表征電池性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一次到第五次循環(huán)充放電后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間分別為 130s，137s，155s 、117s和 107s 。可見，第三次充放電時，電池的性能達(dá)到最佳，小風(fēng)扇能轉(zhuǎn)動 155s 。這是因?yàn)樵诃傊拢m然碳棒附近氣體濃度增加，但同時電池的內(nèi)阻也增大，而充電時生成的氣體會破壞凝膠結(jié)構(gòu)，降低電阻，使得小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時間更長。然而，在第四次與第五次充電后，對凝膠的破壞超過了一定限度，導(dǎo)致其對氣體的包裹作用減弱，進(jìn)而使電池性能下降。盡管如此，經(jīng)歷五次循環(huán)充放電后，瓊脂凝膠仍保持較高的強(qiáng)度，能夠使小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動 107s 。

（2）電流與電壓測試

為對比改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)與兩種教材實(shí)驗(yàn)的性能，使用Vernier電壓傳感器和電流傳感器分別測定三種裝置的電壓電流曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可見，人教版實(shí)驗(yàn)方案電壓衰減速度較慢，但U型管中制作的燃料電池內(nèi)阻較大，初始電壓僅2.0V；蘇教版實(shí)驗(yàn)方案雖初始電壓較高，但由于在燒杯中電解產(chǎn)生的氣體易相互擴(kuò)散或直接逸散到空氣中[10]，導(dǎo)致兩極附近氫氣和氧氣的濃度降低，電壓衰減速度較快，僅能維持2.0V以上電壓約37s;改進(jìn)后以瓊脂凝膠包裹碳棒的方案，初始電壓達(dá)到2.5V，且能維持2.0V以上電壓約 400s 。

圖3燃料電池的電流電壓隨時間的變化關(guān)系

由圖3b可見，人教版方案最高輸出電流為0.01731A，輸出電量為0.7919C；蘇教版方案最高輸出電流為0.5524A，輸出電量為10.36C；改進(jìn)后以瓊脂凝膠包裹碳棒的方案，最高輸出電流為0.6211A，輸出電量為16.01C，有效提高了電池容量，滿足教學(xué)需要。

4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 制作材料易獲取

瓊脂和紫甘藍(lán)都是常見材料，易于獲取，條件有限的學(xué)校也適合開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4.2易觀察電解過程與產(chǎn)物

利用瓊脂作為包裹材料，不僅能夠延長氣體吸附的觀察時間，而且通過溶解于瓊脂中的紫甘藍(lán)指示劑，有效表征出兩極的酸堿性變化。相較于采用海綿、稱量紙等材料包裹碳棒的改進(jìn)方法，透明瓊脂的應(yīng)用使得電解水過程的現(xiàn)象與電解后的產(chǎn)物清晰可見。

4.3放電穩(wěn)定持久，增強(qiáng)演示效果

改進(jìn)后采用具有導(dǎo)電性的瓊脂包裹碳棒，提高了碳棒附近氣體濃度和兩極的pH差，從而使電池的初始電壓增高、電流穩(wěn)定且電量充足，能有效滿足教學(xué)需求。

5結(jié)語

利用溶解有紫甘藍(lán)指示劑的瓊脂凝膠包裹碳棒，顯著提高了燃料電池的工作性能。最突出的優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)了燃料電池實(shí)驗(yàn)過程及產(chǎn)物的可視化，學(xué)生能清晰觀察到電解水過程中兩極顏色的顯著變化以及電解后碳棒表面氣泡的附著，有利于培養(yǎng)學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)，能有效建構(gòu)學(xué)生的電化學(xué)認(rèn)識模型，落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。

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