2002年全国高中学生化学竞赛理论试题答案

第1题1－1(NH4)3H4PMo12O42·H2O＋26NaOH＝12Na2MoO4＋Na2HPO4＋3NH3＋17H2ONH3＋HCI＝NH4 Cl计量关系 P2O5－(NH4)3H4PMo12O42·H2O－NaOH1－2－46P2O5的摩尔质量:142g·mol-1P2O5%:(1．026mol·dm－3×0．04000dm-3－0．1022mol·dm－30．01520dm-3×142g·mol-1(46×0．385g)＝0．317＝31．7%(计量关系正确得3分,计算合理结果错扣1分,有效数字错扣0．5分)     

二甲醚的电催化氧化反应

 考察了负载于镓酸镧基电解质上的镍电极与镍－钐掺杂氧化铈复合电极电催化二甲醚氧化反应的特性．结果表明，反应的主要产物均为CO，H2和CH4，同时生成少量完全氧化的产物H2O和CO2．在开路电位下二甲醚发生裂解反应，生成的CO，H2和CH4三种主要产物的比例接近于1．在有电泵氧存在下，二甲醚的电催化氧化反应强烈地依赖于阳极及电解质材料的组成．Ni／La0．9Sr0．1Ga0．8Mg0．2O3界面上发生的主反应是二甲醚的部分氧化，且存在有严重的积碳现象．电极中掺入SDC（15％Sm3＋－掺杂的CeO2）后，二甲醚完全氧化性能明显增强；随着电流的增大，氢的生成速率显著减小，并生成大量的H2O．采用掺钴镓酸镧基电解质后，Ni－SDC主要表现为催化二甲醚部分氧化反应，且显著抑制了积碳的发生．Ni－SDC／La0．8Sr0．2Ga0．8－Mg0．11Co0．09O3上二甲醚电催化氧化反应的主要产物为1∶1的CO和H2．掺钴电解质引起Ni－SDC具有特殊的催化性能，可能与电解质中p型电导的存在有关．     

Ni-W-TiO2复合电极在碱性介质中的析氢电催化性能

具有较高的析氢电催化活性的镍基多元合金材料已广为报道。近年来通过复合电沉积技术在电极中掺入RuO2、ZrO2、WC等非溶性固体微粒制备的复合功能电极材料用于析氢方面的研究已有报道,这些复合电极对析氢反应都有明显的催化作用。但是用电沉积的方法在电极中掺入TiO2制备的复合功能材料的研究还未见报道,本文研究了Ni-W-TiO2复合电极的制备、形貌结构以及在碱性介质中的析氢电催化活性和电化学稳定性。     

Syntheses and Crystal Structures of Copper（Ⅱ） and Nickel Complexes with 1,2,3-Triazole-carboxylic Acid

Three novel complexes [Cu(L1)2(H2O)2] (1), [Ni(L1)2(H2O)2]·(H2O)4(2,HL1=5-methyl-1-(4-methylphenyl)-1,2,3-triazole-4-carboxylic acid) and [Ni2 (HL2)2(CH3OH)6]·(CH3OH)2(3,H3L2=1,2,3-triazole-4,5-dicarboxylic acid) were synthesized and characterized by elemental analysis, IR and X-ray diffraction. Complexes 1 and 2 are mononuclear structures, and are assembled into a two-dimensional sheet by C(7) H(7)···O(3) weak interactions or hydrogen-bonding interaction. Complex 3 is a centrosymmetric dinuclear structure, and is assembled into a three-dimensional supramolecular structure by hydrogen-bonding interaction.     

过渡金属二取代三元杂多酸盐的制备和表征

在水中由Na2 WO4 ·2H2 O ,Na2 MoO4 ·2H2 O和KH2 PO4 ·2H2 O反应生成具有半Dawson结构的钨钼混配杂多阴离子Na9PW6Mo3O34 ·1 0H2 O。以阴离子和过渡金属硝酸盐为原料在水溶液中合成了一系列过渡金属二取代的具有Keggin结构的杂多酸四丁基铵盐 [TBA]4 Hn[PW7Mo3M2 O38(H2 O) 2 ]·C3H6O(n =1 ,M =Fe3+;n =3,M =Mn2 +,Co2 +,Ni2 +,Cu2 +) ,用元素分析和波谱进行了表征。     

磷钨磷钼钨Dawson型杂多化合物的合成

Dawson型磷钨杂多化合物(HPC)作为多相或均相催化剂,对烯烃环氧化反应极为有效[1]。在HPC中引入钼原子可以提高它的氧化能力;引入过渡元素如铜可以改善其氧化还原反应的可逆性[2]。目前已合成出Nb、Ti、Mn、Fe、Co等多种过渡元素取代的Dawson型HPC[3],并且证明其具有良好的氧化还原催化性能。本文以Na2WO4·2H2O和Na2HPO4·12H2O为原料合成了K10Na2H2P2W16O60,再以其为反应物合成了过渡元素镍、铜取代的磷钨、磷钼钨共三种Dawson型杂多化合物:K14[Ni2P2W16O62]·24H2O、K15H5[Ni(P2W16MoO61)2]·26H2O和K15H3[Cu(…     

Co(en)3[B4O5(OH)4]Cl·3H2O和[Ni(en)3][B5O6(OH)4]2·2H2O的合成、结构以及热力学性质

利用水热法合成了两种过渡金属配合物为模板剂的含水硼酸盐晶体Co(en)3[B4O5(OH)4]Cl·3H2O(1) 和 [Ni(en)3][B5O6(OH)4]2·2H2O (2),并通过元素分析、X射线单晶衍射、红外光谱及热重分析对其进行了表征。化合物1晶体结构的主要特点是在所有组成Co(en)33+, [B4O5(OH)4]2–, Cl– 和 H2O之间通过O–H…O、O–H…Cl、N–H…Cl和N–H…O四种氢键连接形成网状超分子结构。化合物2晶体结构的特点是[B5O6(OH)4]–阴离子通过O–H…O氢键连接形成沿a方向有较大通道的三维超分子骨架,模板剂[Ni(en)3]2+阳离子和结晶水分子填充在通道中。     

SYNTHESIS AND STRUCTURE OF [4Ni(SALEN)·GGH] CLO_4· EtOH·H_2O (GG=Glycylglyciae)

The complex of [4Ni(salen)·GGH] CLO_4·EtOH·H_2O has been synthesized and studied by X-ray single crystal analysis. The results show that there are both intra-unit hydrogen bonds in the [4Ni(salen)·GGH]~+ and inter-unit hydrogen bonds between the two [4Ni(salen)·GGH]~+. Ni(salen) in the unit are still centrosymmetric dimers with planar structure. Imide N(10)—H(10) in the [GGH]~+ bonds with one phenolic oxygen 0(7) of Ni(salen) dimer in the same unit. Two H atoms of amino group N(9)— H [H(A), H(C)] in the glycylglycine perchlorate interact with phenolic oxygen [0(3), 0(5)] of [4Ni(salen)·GGH]~+ through two strong hydrogen bonds respectively.     

[Y(NTO)_2NO_3(H_2O)_5]·2H_2O的制备、晶体结构和热分解机理的研究

合成了［Y（NTO）2NO3（H2O）5］·2H2O（NTO为3－硝基－1，2，4－三唑－5－酮），并测定了晶体结构，晶体属单斜晶系，空间群Cm，晶胞参数：a＝0．6773（2）urn，b＝20866（2）um，c＝0．6551（1）um；β＝102．98（2）°，V＝0．9021（1）um3，Z＝2，DC＝1．970g·cm-3，μ＝33．49cm-1，F（000）＝54O，R＝0．032．中心Y（Ⅲ）与2个NTO的羰基氧原子、1个NO3的1个氧原子及5个水分子的氧原子配位，形成畸变的十二面体．Y－O键长在0．2283～0．2478um之间．     

Imidazole Coordinated Sandwich-type Antimony Polyoxotungstates Na9[ {Na（H=O2}3{M（C3H4N2）}3（ Sb W9O33）2]·xH=O（M=Ni^Ⅱ, Co^Ⅱ, Zn^Ⅱ, Mn^Ⅱ）

The imidazole covalently coordinated sandwich-type heteropolymngstates Na9[ {Na（H=O2}3{M（C3H4N2）}3（ Sb W9O33）2]·xH=O（M=Ni^Ⅱ, Co^Ⅱ, Zn^Ⅱ, Mn^Ⅱ） were obtained by the reaction of Na2WO4·2H2O, SbCl3·6H2O, NiCl2·6H2O [MnSO4·H2O, Co（NO3）2·6H2O, ZnSO4·7H2O] and imidazole at pH≈7.5. The structure of Na9[{Na（H2O）2}3{Ni（C3H4N2）}3（SbW9O33）2]·32H2O was determined by single crystal X-ray diffraction. Polyanion [{Na（H2O）2}3{Ni（C3H4N2）}3（SbW9O33）2}3]^9- has approximate C3v symmetry, imidazole coordinated six-nuclear duster [{Na（H2O）2}3{Ni（C3H4N2）}3]^9＋ is encapsulated between two （α-SbW9O33）^9-, the three rings of imidazole in the polyanion are perpendicular to the horizontal plane formed by six metals （Na-Ni-Na-Ni-Na-Ni） in the central belt, and x-stacking interactions exist between imidazoles of neighboring polyanions with dihedral angel of 60%. The compounds were also characterized by IR, UV-Vis spectra, TG and DSC, and the thermal decomposition mechanism of the four compounds was suggested by TG curves.     

Ni—WC复合电极的结晶结构及其电化学性能的研究

本文在优选的工艺条件下制备了Ｎｉ－ＷＣ复合电极。其ＳＥＭ观察和ＸＲＤ测试结果表明：复合电极中的Ｎｉ是以比Ｎｉ电极的Ｎｉ更微小的晶粒存在。复合电沉积过程中，导电性的ＷＣ微粒的存在，对基质金属Ｎｉ的电沉积方式产生了影响，使基质金属Ｎｉ几乎无择优取向性。采用循环伏安法对其电化学性能进行研究，实验结果表明：Ｎｉ－ＷＣ复合电极在碱性水溶液析氢反应中与Ｈ质子之间的吸附作用及吸附量高于Ｎｉ电极，对硝基苯的电还原反应具有比Ｎｉ电极更良好的催化活性。     

镍基复合镀层对析氢反应的电催花活性

自从六十年代以来,电极作为一种电催化剂,其重要性逐渐受到人们的重视.认识到研究和改善电极的电催化性能,对于能源的开发利用,及其它生产实际应用有很大的经济意义.因此,为了寻找价格低廉的非贵金属催化剂,以及提高现有电极的电催化性能,人们已做了大量的工作.催化电极的材料由单一的金属、合金,逐步发展到使用一些碳化物、氧化物、复合氧化物等,并且已注重使用复合材料.提出了一些制备复合电极的新方法.如离子注入法、浸渍法、烧结法、化学吸附法等.用这些方法制备出的复合电极均不同程度地提高了电极的催化活性。     

Electrochemical deposition and characterization of NiCu coatings as cathode materials for hydrogen evolution reaction

In this study, NiCu composite coatings were electrochemically deposited on a copper electrode (Cu/NiCu) and characterized by atomic absorption spectroscopy (AAS), scanning electron microscopy (SEM) and scanning electrochemical microscopy (SECM) techniques in view of their possible applications as electrocatalytic materials for the hydrogen evolution reaction (HER). The HER activity of the prepared electrodes were studied in 1 M KOH solution by cathodic current–potential curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques. It was found that, the NiCu coating has a porous structure and good electrocatalytic activity for the HER in alkaline medium. The HER activity of the Cu/NiCu electrode was higher than uncoated (Cu) and Ni coated (Cu/Ni) copper electrodes. Its catalytic activity was related to the porosity as well as synergistic interaction of Ni and Cu.     

纳米晶Ni-Mo合金复合镀层中钼含量对析氢反应的影响

本文利用复合电镀的方法, 将用高能机械球磨制备的纳米晶Ni-Mo合金粉制成对析氢反应有高催化性的电极。用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪测试了这些纳米晶的大小及复合镀层的组成, 用稳态极化曲线及交流阻抗技术测试了这些电极析氢的电化学特性。实验结果表明: 在本文研究的范围内镀层中钼含量的增加可以提高电极析氢的催化活性, 电化学脱附是这些电极上析氢反应速度的决定步骤。     

镍-碳化钨微粒复合电沉积机理的研究

研究了在普通镀镍溶液中导电性微粒碳化钨与基质金属镍形成复合镀层的电沉积过程，实验结果表明，导电性的ＷＣ微粒在与Ｎｉ共沉积形成Ｎｉ－ＷＣ复合镀层的过程中，也遵循Ｇｕｇｌｉｅｌｍｉ的两步吸附机理，只是在电极表面，ＷＣ微粒的弱吸附覆盖度与强吸附覆盖度的比值，较非导电性微粒的复合共沉积体系的要小得多。     

镍铜合金立方体纳米晶的脉冲电沉积及电催化析氢性能

以泡沫镍(NF)为基体, 采用常规脉冲伏安法合成了独立分相的金属Ni, Cu为主晶相、 平均粒径为70 nm的规则立方体结构镍铜合金电催化剂(NiCu/NF). 在电催化析氢反应中, NiCu/NF表现出优良的催化活性和优异的催化稳定性, 在电流密度为10 mA/cm ²时, 在1.0 mol/L KOH溶液中需要的析氢过电位仅为86 mV, 催化24 h的电位波动仅为12 mV. 二级复合纳米立方体结构使NiCu/NF展现出15.5倍于空白NF的电化学活性面积(ECSA), 为电催化反应提供了大量催化活性位点, 也为电极表面的电荷传输、 物质传递提供了充足的通道; Cu的引入以及NiO/Ni异质结的形成改善了邻近Ni原子的活性, 使镍基材料本征析氢活性得以改善, 三者协同促进了NiCu/NF电催化活性的提升. NiCu/NF电极在析氢过程中遵循Volmer-Heyrovsky机理, 反应速率由电极表面吸附氢原子的电化学脱附过程决定.     

One-step synthesis of monodispersed Pt nanoparticles anchored on 3D graphene foams and its application for electrocatalytic hydrogen evolution

Although platinum-based materials are regarded as the state-of-the-art electro-catalysts for hydrogen evolution reaction(HER),high cost and quantity scarcity hamper their scale-up utilization in industrial deployment.Herein,a one-step strategy was developed to synthesize multi-walled carbon nanotubes and reduced graphene oxide supported Pt nanoparticle hydrogel(PtNP/rGO-MWCNT),in which only ascorbic acid was used as the reductant for one-pot reduction of both GO and chloroplatinic acid.The hydrogel can be directly used as a flexible binder-free catalytic electrode to achieve high performance of HER.Compared to conventional strategies,the current strategy not only significantly reduces the Pt loading to 3.48 wt%,simplifies the synthesis process,but also eliminates the use of any polymer binders,thus decreasing the series resistance and improving catalytic activity.An overpotential of only 11 mV was achieved on as-prepared PtNP/rGO-MWCNT to drive a geometrical current density of 10 mA/cm2 in0.5 mol/L H2 SO4,with its catalytic activity being kept over 15 h.In acidic medium,the HER activity of the PtNP/rGO-MWCNT catalyst exceeds most of the reported Pt-based electro-catalysts and is 3-fold higher than that obtained on commercial Pt/C electrode.     

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能     

电沉积纳米镍合金在海水溶液中的析氢性能

采用电沉积法获得Ni、Ni-Fe和Ni-Fe-C合金镀层电极, 在90 °C模拟海水(0.5 mol·L-1 NaCl, pH=12)的稳态极化曲线表明Ni-Fe-C合金电极具有最好的析氢催化性能. 通过扫描电子显微镜(SEM)观察电极表面形貌、X射线衍射(XRD)与透射电子显微镜(HRTEM)分析合金的晶体结构, 发现电极材料的晶粒尺寸影响析氢催化性能, 晶粒尺寸越小析氢催化活性越好. 用电化学阻抗方法(EIS)研究电极析氢催化性能的本质原因, 结果表明电极表面活性点数目和电极的本质电催化活性对合金电极析氢催化活性有重要的影响.     

电沉积Ni/LaNiO3复合电极及其在碱性介质中的析氧性能

采用溶胶-凝胶法制备了钙钛矿型复合氧化物LaNiO3,然后将其加入瓦特镀镍液中进行复合电沉积,研究了镀液pH值和阴极电流密度对Ni/LaNiO3复合镀层组成的影响。运用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等对复合镀层进行表征,结果表明:最佳电沉积工艺条件是镀液pH=5.8和阴极电流密度jk=90 mA.cm-2,所得的Ni/LaNiO3复合镀层中LaNiO3的质量含量约为60%。用循环伏安、稳态极化、恒电位阶跃、电化学阻抗谱等电化学技术评价了Ni/LaNiO3复合电极的析氧性能。结果表明:在5 mol.L-1的KOH溶液中,Ni/LaNiO3复合电极的起始析氧电位较镍电极负,表观活化自由能比镍电极降低约2/3,比表面积约为镍电极的55倍,析氧电催化性能得到大幅度提高。