第 2 题

分子氢（H2）是一种不排放CO2的替代燃料，降低其生产成本与环境影响是重大挑战；分解水是有前景的技术。298 K时数据：

\Delta_f H^\circ

(kJ mol

^{-1}

)：H2(g) 0, H2O(l) −285.8, H2O(g) −241.8, O2(g) 0；

S_m^\circ

(J mol

^{-1}

^{-1}

)：H2(g) 130.6, H2O(l) 69.9, H2O(g) 188.7, O2(g) 205.2。(a) 写出液态水分解的配平方程（水的化学计量系数为1），并用数值说明该反应在298 K时是否热力学上有利。(b) 可用酸性水浴中的两个电极进行电化学分解水；写出每个电极的半反应，并推导在298 K使过程有利的外加电压

\Delta E_{\text{applied}}

相对于热力学阈值

\Delta E_{\text{th}}

的条件。(c) 以Pt为阴极时，最小电压

\Delta E_{\min}

取决于阳极：IrOx 1.6 V、NiOx 1.7 V、CoOx 1.7 V、Fe2O3 1.9 V。给出电解水功率效率

\eta_{\text{elec}}

的表达式，计算Pt/Fe2O3组合的效率，并指出最有效的阳极。

第 3/4 步：热力学电解电压

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\Delta E_{\text{applied}} > \Delta E_{\text{th}} = \dfrac{\Delta_r G^\circ}{2F} = \dfrac{237.1\times 10^{3}}{2\times 96485} = 1.229\ \text{V}

分析

半反应：阴极 $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$ ，阳极 $\ce{H2O -> 2H+ + 1/2 O2 + 2e-}$ 。每分解1个水分子转移2个电子，所以最小外加电压满足 $2F\,\Delta E \ge \Delta_r G^\circ$ ，即 $\Delta E_{\text{applied}} > \Delta E_{\text{th}} = 1.229$ V。