氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

電解水式燃料電池作為原電池與電解池知識(shí)的綜合應(yīng)用實(shí)例，在幫助學(xué)生建立電化學(xué)過(guò)程系統(tǒng)分析思路、構(gòu)建電化學(xué)認(rèn)識(shí)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(jiǎn)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(duì)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(jì)發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，難以帶動(dòng)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(cè)）》3則將裝置設(shè)置在燒杯中（圖1b）。這種設(shè)計(jì)縮短了電極間距離，增大了正對(duì)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(duì)較好。但該裝置也存在明顯缺陷，兩極距離過(guò)近，缺乏明顯分區(qū)，無(wú)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(shí)，兩極附近氣泡逸出的現(xiàn)象較為明顯；但在電池放電時(shí)，學(xué)生很難觀察到碳棒表面吸附的微小氣泡，容易對(duì)反應(yīng)物產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。因此，對(duì)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(jiǎn)評(píng)

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(lái)，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(guò)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(gè)方面。

（1）對(duì)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(duì)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(dòng)時(shí)間；王愛(ài)華[6]通過(guò)對(duì)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(zhǎng)玻璃管組合作為實(shí)驗(yàn)裝置，將兩極分隔開(kāi)的同時(shí)，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(duì)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(dòng)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(wú)法觀察到電極在充電時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，難以通過(guò)現(xiàn)象判斷電解水時(shí)的陰陽(yáng)極和燃料電池的正負(fù)極。基于此，我們對(duì)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(shí)，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(tái)、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(tái)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(tái)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(cè)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(kāi)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(duì)電池性能影響分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳棒直徑對(duì)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(cè)試裸露的碳棒與瓊脂凝膠包裹的碳棒帶動(dòng)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裸露碳棒直徑從 5mm 增加到10mm 時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間僅從15s增加到 39s 。而相對(duì)裸露碳棒，瓊脂凝膠包裹的碳棒使小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間整體明顯增加。當(dāng)瓊脂包裹 5mm 碳棒時(shí)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間增加到56s，在碳棒直徑為 8mm 時(shí)達(dá)到最大值 130s 此后隨著碳棒直徑增加，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間減小，但都大于裸露碳棒對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(shí)，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(gè)因素，瓊脂凝膠包裹碳棒使小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。基于以上研究結(jié)果，后續(xù)測(cè)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(shí)陰極附近的瓊脂變?yōu)榧t色，并且有少量氣泡生成；陽(yáng)極的碳棒在生成氣體的同時(shí)，其附近的瓊脂變?yōu)闇\綠色。繼續(xù)電解至60s時(shí)，肉眼可見(jiàn)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(yáng)極完全變色，分別變?yōu)榧t色和黃色。電解60s后斷開(kāi)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(zhǎng)時(shí)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(jì)算兩極的電極電動(dòng)勢(shì)（ T=298K ）：

燃料電池的電動(dòng)勢(shì) E=φ_（iF#）-φ_（iff#） 。分析發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(dòng)勢(shì)。

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(cè)試、電壓測(cè)試和電流測(cè)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(cè)試

對(duì)電極進(jìn)行5次循環(huán)充放電，以小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間分別為 130s，137s，155s 、117s和 107s 。可見(jiàn)，第三次充放電時(shí)，電池的性能達(dá)到最佳，小風(fēng)扇能轉(zhuǎn)動(dòng) 155s 。這是因?yàn)樵诃傊拢m然碳棒附近氣體濃度增加，但同時(shí)電池的內(nèi)阻也增大，而充電時(shí)生成的氣體會(huì)破壞凝膠結(jié)構(gòu)，降低電阻，使得小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)。然而，在第四次與第五次充電后，對(duì)凝膠的破壞超過(guò)了一定限度，導(dǎo)致其對(duì)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(dòng) 107s 。

（2）電流與電壓測(cè)試

為對(duì)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(cè)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(jiàn)，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(shí)間的變化關(guān)系

由圖3b可見(jiàn)，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(jiàn)材料，易于獲取，條件有限的學(xué)校也適合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4.2易觀察電解過(guò)程與產(chǎn)物

利用瓊脂作為包裹材料，不僅能夠延長(zhǎng)氣體吸附的觀察時(shí)間，而且通過(guò)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(guò)程的現(xiàn)象與電解后的產(chǎn)物清晰可見(jiàn)。

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(yǔ)

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(shì)在于實(shí)現(xiàn)了燃料電池實(shí)驗(yàn)過(guò)程及產(chǎn)物的可視化，學(xué)生能清晰觀察到電解水過(guò)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(shí)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(shí)模型，落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。

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