2024届增分小专题：《双极隔膜的导电原理以及高考应用》

2024届增分小专题： 双极隔膜的导电原理以及高考应用 题例：“(2023年广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(下图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH－，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确的是” A．电解总反应：KNO3＋3H2O＝NH3∙H2O＋2O2↑＋KOH B．每生成1mol NH3∙H2O，双极膜处有9mol的H2O解离 C．电解过程中，阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变 D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨生成速率 答案：B 解析：由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极方程式为NO＋8e－＋9H+＝NH3∙H2O＋2H2O，电极b为阳极，电极方程式为4OH――4e－＝O2↑＋2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H+移向电极a，OH－移向电极b。 A．由分析中阴阳极电极方程式可知，电解总反应为KNO3＋3H2O＝NH3∙H2O＋2O2↑＋KOH，故A正确； B．每生成1mol NH3∙H2O，阴极得8mol e－，同时双极膜处有8molH+进入阴极室，即有8mol的H2O解离，故B错误； C．电解过程中，阳极室每消耗4molOH－，同时有4molOH－通过双极膜进入阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确； D．相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构具有更大的膜面积，有利于H2O被催化解离成H+和OH－，可提高氨生成速率，故D正确； 【知识梳理∙智能提升】 双极膜(bipolar membranes，BPM)是一种新型离子交换膜，提出于20世纪50年代，其膜主体可以分为阴离子交换层(anion-exchange layer，AEL)、阳离子交换层(cation-exchange layer，CEL)和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中。与传统阴、阳离子交换膜不同，双极膜可以大幅度降低内部电阻，同时水解离产物H+和OH-可在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应(比如OER/HER)提供各自理想的pH条件。 双极膜的研究可追溯到上世纪50年代中期。上世纪50年代中期至80年代初期，这是双极膜发展十分缓慢的时期，双极膜仅是由两片阴阳离子膜直接压制得到，性能很差，水分解电压比理论压降高几十倍，当时的研究是以水解离为基础的实验室阶段。从80年代初至90年代初，由于双极膜制备技术的改进，成功地研制了“涂层型”双极膜，其性能大大提高，在制酸碱和脱硫技术方面得到了应用。从90年代初至今，是双极膜迅猛发展的时期，随着对双极膜工作过程机理的深入研究，从膜结构、材料和制备过程上进行改进，使制得的双极性膜在性能上有较大提高，其中主要是对阴膜和阳膜接触界面处导入催化剂层，出现了带有中间“催化层”的复杂结构。现在国际市场上的BP-Ⅰ型双极膜就是这种结构类型。 我国的双极膜研发工作从上世纪90年代才开始，起步比较晚。1992年清华大学化工系开展了双极膜的应用研究 ，采用的是国外双极膜。随后华东理工大学、上海化工厂、中国科技大学、国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心等单位进行了双极膜的制备工作，但只得到少量的实验室样品，性能不好，均未得到实际应用。直到 2006年，核工业北京化工冶金研究院葛道才高工发明了单片型双极膜，所制备的膜的性能可媲美国外同类产品，某些方面甚至超过它们，该制膜技术在北京廷润膜技术开发有限公司得到实施，我国双极膜已批量生产，结束了国内没有双极膜的历史。 双极膜的技术原理： 1、双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-离子源。双极膜按宏观膜体结构分可分为均相双极膜和异相双极膜。 2、双极膜是一种新型的离子交换复合膜，它通常由阳离子交换层(N型膜)、中间界面亲水层(催化层)和阴离子交换层(P型膜)复合而成，是真正意义上的反应膜。中间界面层的厚度为纳米级，在直流电场作用下，中间界面层的水发生解离，在膜两侧分别得到氢离子和氢氧根离子。利用这一特点,将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统，能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱，这种方法称为双极膜电渗析法。双极膜技术改变了传统工业分离和制备过程，双极膜电渗析法不仅用于制备酸和碱，若将其与单极膜巧妙地组合起来，在资源回收、化工生产和污染控制等方面均有广泛应用。 研究者还发现，利用酸碱性环境对催化剂性能的影响，可以设计出双层水解离催化剂，使表面的酸碱梯度与AEL/C