1021頁專題突破： 2023年高考化學微專題復習《雙極隔膜的電化學原理》“科學家近年制造了一種型Zn?CO2水介質電池，電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題供給了一種途徑。”——2023年全國高考理綜化學第12“雙極隔膜”的構造，這是什么呢？2023年全國高考理綜卷雙極膜〔bipolarmembranes，BPM〕是一種型離子交換膜，提出于2050年月，其膜主體可以分為陰離子交換層anion-exchangelayeAE、陽離子交換層cation-exchangelayeCE〕和中間界面層，水解離催化劑被夾在中間的離子交換聚合物中。與傳統陰、陽離子交換膜不同，雙極膜+ H和OH可在電場力的作用下快速遷移到兩側溶液中，為膜兩側的半反響〔比方OER/HER〕供給各自抱負的pH+ 雙極膜的爭論可追溯到上世紀50年月中期。上世紀50年月中期至80年月初期，這是雙極膜進展格外緩慢的時期，雙極膜僅是由兩片陰陽離子膜直接壓制得到，性能很差，水分解電壓比理論壓降高幾十倍，當時的爭論是以水解離為根底的試驗室階段。從80年月初至90年月初，由于雙極膜制備“涂層型”雙極膜，其性能大大提高，在制酸堿和脫硫技術方面得到了應用。從90年月初至今，是雙極膜迅猛進展的時期，隨著對雙極膜工作過程機理的深入爭論，從膜構造、材料和制備過程上進展改進，使制得的雙極性膜在性能上有較大提高，其中主要是對陰膜和陽膜接觸界催化層的簡單構造。現在國際市場上的BP型雙極膜就是這種構造類型。我國的雙極膜研發工作從上世紀901992年清華大學化工系開展了雙極膜的應用爭論，承受的是國外雙極膜。隨后華東理工大學、上海化工廠、中國科技大學、國家海洋局杭州水處理技術爭論開發中心等單位進展了雙極膜的制備工作，但只得到少量的試驗室樣品，性能不好，均未得到實際應用。直到2023業北京化工冶金爭論院葛道才高工制造了單片型雙極膜，所制備的膜的性能可媲美國外同類產品，某些方面甚制膜技術在北京廷潤膜技術開發有限公司得到實施，我國雙極膜已批量生產，結束了國內沒有雙極膜的歷史。雙極膜的技術原理：1、雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜

和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電場的作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。雙極膜按宏觀膜體構造分可分為均相雙極膜和異相雙極膜。2、雙極膜是一種型的離子交換復合膜，它通常由陽離子交換N型膜)(催化層)和陰離子交換層(P型膜)復合而成，是真正意義上的反響膜。中間界面層的厚度為納米級，在直流電場作用下，中間界面層的水發生解離，在膜兩側分別得到氫離子和氫氧根離子。利用這一特,將雙極膜與其他陰陽離子交換膜組合成的雙極膜電滲析系統，能夠在不引入組分的狀況下將水溶液中的鹽轉化為對應的酸和堿，這種方法稱為雙極膜電滲析法。雙極膜技術轉變了傳統工業分別和制備過程，雙極膜電滲析法不僅用于制備酸和堿，假設將其與單極膜奇異地組合起來，在資源回收、化工生產和污染掌握等方面均有廣泛應用。BPM電解器驅動水解離示意圖可別以為雙極膜只能用來出出高考題，用的好，它一樣是上頂刊的助力。近日，美國俄勒岡大學的ShannonW.BoettcherSebastianZ.Oener博士等爭論者在Science雜志上發表論文，利用一種雙極膜電解器來定量爭論多種金屬和金屬氧化物納米顆粒的水解離動力學。他們覺察，金屬納米顆粒的水解離活性與堿性析氫反響HE〕EL-CEL界面的精準位置會極大地影響催化劑的活性。于是，他們在界面使用催化劑雙層——在酸性的CEL外表和堿性的AEL外表分別引入適宜的水解離催化10mV-2 〔20m?cm，純水雙極膜電解器在500mcm壓僅為~2.2V-2 雙極膜水解離爭論示意圖雙極膜水解離爭論示意圖雙極膜解離水示意圖爭論者設計了一種膜電極組件，將雙極膜壓在兩個剛性多孔集流體之間，組成雙極膜電解器，這種方法可以快速爭論多種水解離催化劑〔~30種材料〕的雙極膜，并準確地測量每種催化劑的活性。氧化物納米粒子解離水的過電位和零電荷點一個好玩的覺察是，爭論者利用雙極膜電解器證明白貴金屬納米顆粒的水解離活性與堿性條件下HER活性呈正相關。這與很多文獻報道中復合催化劑的性能提升策略相全都，比方，金屬氫氧化物〔如氫氧化鎳〕對Pt等貴金屬進展修飾可提高其堿性HERNiO〔在水中羥基化〕是一種優良的水解離催化劑。這一覺察對于高性能的電催化劑設計具有啟發意義。一樣納米粒子水解離和電催化反響過電位比較爭論者還覺察，利用酸堿性環境對催化劑性能的影響，可以設計出雙層水解離催化劑，使外表的酸堿梯度與AEL/CEL界面在工作電流密度下的pH梯度相匹配，這樣能夠降低雙極膜的過電位，削減能量損失。通過極化曲線比較，即使在較大的電流密度下，雙極膜純水電解器和傳統陰、陽離子交換膜電解器的性能相當。雙極膜電解器和傳統陰、陽離子交換膜性能比照雙極膜系統可以敏捷調整兩側的pH值，這為在陰陽兩極需要不同酸堿性的裝置，如燃料電池、液“這些結果供給了一個初步的模型，可以開拓并推動其在更多領域的”[]Boettcher說。高性能雙極膜也將促進廢水處理、二氧化碳轉化等領域的進展〔高考題，就是一個二氧化碳廢氣處理再利用的模型例如。Boettcher說，“我們期望這些爭論能轉化成產品”。[題組強化訓練】科學家近年制造了一種型Zn—CO2水介質電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題供給了一種途徑。以下說法錯誤的選項是( )放電時，負極反響為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)24放電時，1molCO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2molC．充電時，電池總反響為2Zn(OH)2===2Zn＋O↑＋4OH－＋2HO4 2 2D．充電時，正極溶液中OH－濃度上升答案：D解析：由裝置示意圖可知，放電時負極反響為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)2，A項正確；放電4時CO2轉化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉化為HCOOH時，轉移電子數為22mol，B項正確；由裝置示意圖可知充電時正極(陽極)產生O，負極(陰極)產生Zn，C項正確；充電陽極上發生反響22－4－===4＋2，O－D項錯誤。2利用雙極膜制備磷酸和氫氧化鈉的原理如下圖。雙極膜是一種復合膜，在直流電作用下，雙極膜中間界面內水解離為H+和OH?()陰極區溶液的pH減小 B．M膜為陰離子交換膜C．雙極膜中a為H+，b為OH–答案：B

D．假設用鉛蓄電池為電源，則X極與Pb電極相連某同學利用我國科學爭論工作者制造的Zn-CO2可充電電池模擬對鐵外表電鍍銅，如下圖。：放電時發生反響：Zn＋CO＝ZnO+CO，充電時發生反響：2ZnO＝2Zn+O2 2雙極膜：陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。以下有關說法不正確的選項是( )A．A池放電過程中，Ir@Au極可能有H2產生B．A池充電過程中，Ir@Au極四周pH變小C．A池放電過程中，Zn極電極反響為：Zn－2e﹣＋2OH﹣＝ZnO＋H2OD．B池電鍍過程中，硫酸銅溶液濃度保持不變以Zn-CO2可充電電池及電鍍為載體，考察電化學根底，電極反響式的推斷、電解質溶液的推斷、濃度大小的推斷。答案：D2解析：A．Zn可能與H2O形成原電池，產生H，A項正確。B．A池充電過程中，Ir@Au極電極反響式為：CO2+2e﹣+2H﹢＝CO+H2OpH變小，B項正確。C．通過總反響式不難覺察A池放電過程中，Zn極電極反響正確，C項正確。D．電鍍過程中，承受的是粗銅，優先放電的并非2銅單質，當Zn單質等雜質放電時，陰極有Cu2+放電生成Cu單質，溶液中硫酸銅溶液濃度會略有降低，D項錯誤。水層，工作時水層中的H2О解離成H+和OH-，并分別通過離子交換膜向兩側發生遷移。以下圖NaBr溶液的電滲析裝置示意圖。以下說法正確的選項是()2的產物為HBr溶液C.Br-可從鹽室最終進入陽極液中答案：D

5的產物為硫酸溶液D.陰極電極反響式為2H++2e-=H2↑解析：ANa+向陰極移2的產物為NaOH溶液，A錯誤；電解時，溶液中的陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，溶液中的Br-向陽極移動，與雙極膜供給的氫離子結合，故出口4的產物為HBr溶液，鈉離子不能通過雙極膜，故出口5不是硫酸，B錯誤；結合選項B，Br-不會從鹽室最終進入陽極液中，C錯誤；H+和OH?，則在陰極處發生的反響為2H++2e-=H2↑，D正確；答案選D。可充電水系Zn－CO2電池用鋅和催化劑材料作兩極，電池工作示意圖如以下圖所示，其中雙極膜是由陽膜和陰膜制成的復合膜，在直流電場的作用下，雙極膜復合層間的H2O電離出的H+和OH-可以分別通過膜移向兩極。以下說法的是( )放電時，電極a為負極，發生氧化反響放電時，b極的電極反響為：CO2＋2H+＋2e-＝HCOOH充電時，假設電路中通過1mole-，則有0.5molHCOOH轉化為CO2D．充電時，水電離出的氫離子在陰極放電，陰極區溶液pH增大答案：D解析：A．放電時a作負極，故充電時應接電源的負極，發生氧化反響，故A正確；放電時，b極為正極，由圖中可知，二氧化碳在酸性條件下生成甲酸，電極反響為：CO2＋2H+＋2e-＝HCOOH，故B正確；HCOO2eCO2H，假設電路中通過CO2，故C正確；

0.5molHCOOH轉化為充電時，水電離出的氫離子在陰極放電，多余的氫氧根離子會進入雙極膜復合層間，陰極區溶液pH不變，故D錯誤；應選D。雙極膜電滲析一步法鹽制酸堿的技術進入到了工業化階段，某科研小組爭論承受BMED膜堆(如下圖)，模擬以精制濃海水為原料直接制備酸和堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(a、d)：在直流電源的作用下，雙極膜內中間界面層發生水的解離，生成H+和OH-。以下說法正確的選項是()電極Y連接電源的正極，發生復原反響B．I口排出的是混合堿，Ⅱ口排出的是淡水C．電解質溶液承受Na2SO4溶液可避開有害氣體的產生D．a左側膜為陽離子交換膜，c為陰離子交換膜答案：C解析：A．氫氧根離子向左側移動，這說明電極Y為陰極，所以電極Y連接電源的負極，發生復原反響，故A錯誤；濃海水中的氯離子向左側移動，鈉離子向右側移動；雙極膜中，氫離子向右側遷移、氫Ⅱ口排出的是淡水，I口排出的是鹽酸、Ⅲ口排出的是堿液，故B錯誤；由于氯離子放電會產生有毒的氣體氯氣，參加Na2SO4溶液，目的是增加溶液的導電性，氯離子移向室，氫離子通過a移向室，在HCl，可避開有害氣體的產生，故C正確；鈉離子移向Ⅲ室，ca左側膜為陰離子交換DC。雙極膜(BP)O2解離成H＋和OH－H＋OH－NaOHHCl，其工作原理如下圖，M、N為離子交換膜。以下說法的是( )一樣條件下，不考慮氣體溶解，陰極得到氣體體積是陽極兩倍電解過程中Na＋向左遷移，N為陰離子膜C．假設去掉雙極膜〔BP),陽極室會有Cl2生成D．電解完畢后，陰極四周溶液酸性明顯增加答案：D解析：A.陰極室氫離子得電子生成氫氣，發生的反響為2H++2e-=H2↑，陽極反響為4OH——4e-=O↑+2HOA正確；2 2B.陰極生成氫氧化鈉，鈉離子向左穿過M進入陰極室，所以M為陽離子交換膜，N為陰離子交2BC.假設去掉雙極膜(BP)，氯離子進入陽極室陽放電生成氯氣，故CD.陰極室氫離子得電子生成氫氣，發生的反響為2H++2e-=H↑，氫離子被消耗，酸性減弱，故D錯誤；題目要求選錯誤選項，應選D2-堿電解液隔離，實現MnO2/Mn2+Zn/Zn(OH)

的兩個溶解/沉4積電極氧化復原反響，研制出型高比能液流電池，其放電過程原理示意圖如下：以下說法的是( )放電過程中，總反響方程式為Zn+Mn2+4O-+4H+===Zn(OH)2-+42++2HO 2放電過程中，當1molZn參與反響時，理論上有4molK+發生遷移充電過程中，陰極的電極反響為Zn(OH)42-+2e-===Zn+4OH-充電過程中，右側池中溶液pH漸漸減小答案：B目前海水液化可承受雙極膜電液析法、同時獲得副產品，其模擬工作原理如下圖。其中雙極膜(BP)H2O解離成H+和OH?，作為H+和OH?離子源。M、N為離子交換膜。以下說法正確的選項是2A．X電極為電解池的陰極，該電極反響式為：2H+-2e?=H↑2B．電子流向：電源負極→X電極→Y電極→電源正極C．電路中每轉移1mol電子，X、Y兩極共得到標準狀況下16.8L的氣體D．M為陽離子交換膜，A室獲得副產品NaOH；假設去掉B室雙極膜，B室產物不變答案：C2AX2+2H，選項A誤；B.→X電極、陽極Y電極→電源正極，選項B錯誤；C.陰極反響為22H++2e?=H↑，陽極反響為：4OH?-4e?=O↑+2HO，當電路中通過1mol電子時，陰極得到0.5molH，陽2 2 2 20.25molO2，兩極一共得到氣體為0.5mol+0.25mol=0.75mol，標準狀況下16.8L的氣體，選項C正確；D.A室獲得副產品NaO；假設去掉雙極膜B，則CC有C12生成，，B室產物發生變化，選項D錯誤。答案選C。(CM/AM+和O－，用雙極膜電解槽電解糠醛〔〕溶液制備糠醇〔〕和糠酸鹽〔〕時，〔〕溶液制備糠醇〔〕和糠酸鹽〔〕時，MnO2/MnOOH在電極B．X極反響為+2H++2e-=B．X極反響為+2H++2e-=D．電解過程中，雙極膜CD．電解過程中，雙極膜右側溶液的pH降低答案：C在直流電場作用下，雙極膜能將水解離為H+和OH－，并實現其定向通過。工業上用雙極膜電解槽電解糠醛溶液同時制備糠醇和糠酸鹽，電解時Mn/MnOOH在電極與糠醛之間傳遞電,電解過程如下圖，以下說法不正確的選項是( )B. 1mol2molB. 1mol2mol的電子D．雙極膜的作用是通電C. D．雙極膜的作用是通電時將水解離為H+和O，其中H向B極方向移動答案：D在直流電場作用下，雙極膜能將水解離為H+和OH－，并實現其定向通過。工業上用雙極膜Mn/MnOOH()A．A接直流電源的負極，糠醛得到電子被復原為糠醇B．電解時，陽極反響為MnOOH－e－+OH－=MnO2+H2OD．通電時雙極膜將水解CD．通電時雙極膜將水解離為H+和OH-,OH-向陰極室方向移動答案：D2(MP將H+和OH-，并實現其定向通過。工業上用雙極膜電解槽電解糠醛溶液同時制備2是(

示，以下說法的C．生成糠酸的反響為：+2MnO2+OH-→+2MnOOHA．A為直流電源的負極，糠醛在陰極外表得到電子被氧化為糠醇B．通電時雙極性膜將水解離為C．生成糠酸的反響為：+2MnO2+OH-→+2MnOOHD．電解時，陽極反響為MnOOH-e-=MnO2+H+答案：AA為直流電源的負極，糠醛在陰極外表得到電子被復原為糠醇A誤；H+和OH-，陽離子H+向負電荷較多的陰極室方向移動，B正確；在陽極室，糠醛失去電子被氧化為糠酸，反響方程式為：+2MnO2+OH-→+2MnOOH，C+2MnO2+OH-→+2MnOOH，C正確；正確；故合理選項是A。利用光能分解水的裝置如圖，在直流電場作用下，雙極性膜將水解離H+和OH?，并實現其定向通過。以下說法錯誤的選項是( )光電池能將光能轉化為電能陽極區發生的電極反響為：2H2O?4e?=4H++O2↑C．雙極性膜能掌握兩側溶液的酸堿性不同D．再生池中發生的反響為：2V2++2H+=2V3++H2↑答案：B解析：AA正確；4O--4e=22O+，選項B錯誤；C．雙極性膜可將水解離為H+和OH-，由圖可知，H+進入陰極，OH-進入陽極，則雙極性膜可掌握其兩側溶液分別為酸性和堿性，選項C正確；D．依據以上分析，再生的反響方程式為2V2++2H+=2V3++H2↑，選項D正確；答案選B。某科研小組爭論承受BMED膜堆(示意圖如下)，模擬以精制濃海水為原料直接制備酸堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(A、D)。：在直流電源的作用下，雙極H＋和OH－。以下說法錯誤的選項是()A．電極a連接電源的正極B．B為陽離子交換膜C．電解質溶液承受Na2SO4溶液可避開有害氣體的產生D．Ⅱ口排出的是淡水答案：B解析：依據題干信息確定該裝置為電解池，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動，所以電極a為陽極，連接電源的正極，A正確；水在雙極膜A解離后，氫離子吸引陰離子透過B膜到左側形成酸，B為陰離子交換膜，B錯誤；電解質溶液承受Na2SO4溶液，電解時生成氫氣和氧氣，可避開C正確；海水中的陰、陽離子透過兩側交換膜向兩側移動，淡水從Ⅱ口排出D正確。利用雙極膜制備磷酸和氫氧化鈉的原理如下圖。雙極膜是一種復合膜，在直流電作用下，雙極膜中間界面內水解離為H+和OH?，并實現其定向通過。以下說法正確的選項是假設用鉛蓄電池為電源，則X極與Pb電極相連雙極膜中a為H+，b為OH–陰極區溶液pH減小D．M膜為陰離子交換膜，N膜為陽離子交換膜答案：D解析：A．鉛蓄電池中Pb為負極，PbO2電極為正極，X極應與PbO2相連，A項錯誤；B．電解池中陰離子向陽極遷移，陽離子向陰極遷移，所以雙極膜a為OH?，bH+，B項錯誤；C．陰極電極反響為2H++2e?=H2↑1mol電子，消耗1molH+，此時雙極膜又產生1molH+，因陰極pH變化狀況，C項錯誤；D．M膜為陰離子交換膜，原料室中H2PO4通過M膜進入產品室1，與雙極膜產生的H+結合生成H3PO4，N膜為陽離子交換膜，原料室中Na+通過N膜進入產品室2，與雙極膜產生的OH?結合生成NaOH，D項正確。應選D。一種型Zn?CO2水介質電池，為解決環境和能源問題供給了一種途徑，其工作示意圖如下。以下說法不正確的選項是放電時，金屬鋅為負極放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質HCOOHC. 充電時，電池總反響為2Zn(OH)2-=2Zn+O +4OH-+2HC. 4 2 2D．充電時，雙極隔膜產生的H+向右側正極室移動答案：D聚合硫酸鐵{PFS，[Fe4(OH)2n(SO4)(6-n)]m}是一種性能優越的無機高分子混凝劑，利用雙極膜(BP)(由一張陽膜和一張陰膜復合制成，在直流電場作用下將水分子解離OH-H+H+和OH-離子源)電滲析法制備PFS()X極上發生的電極反響為4OH-－4e-＝O2↑＋2H2O“1”和“3”得到H2SO4K2SO4的混合液“2”和“4”產品為濃PFS雙極膜向“2”和“4”中供給OH-答案：BH

O解離成H＋和OH－，并實現定2向移動。該技術對淡水缺乏的地區有重大的意義，以下圖利用雙極膜組合電解法模擬海水淡化，以下說法正確的選項是()A.Y極接電源的正極B.電路中通過0.1mol電子時，則NaCl溶液質量削減5.85gC.OH－移向雙極膜的右側2 D.X極的電極反響式為：4OH－＋4e－＝O↑＋2H2 乙醛酸是一種重要的化工中間體，可果用如以下圖所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場作用下分別問兩極遷移。以下說法正確的選項是B.陽極上的反響式為：+2H++2eB.陽極上的反響式為：+2H++2e-=+H2OC.2mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移答案：D解析：該裝置通電時，乙二酸被復原為乙醛酸，因此鉛電極為電解池陰極，石墨電極為電解池陽Br-Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，雙極膜中間層的H+在直流電場作用下移向陰極，OH-移向陽極。A．KBr在上述電化學合成過程中除作電解質外，同時還是電解過程中陽極的反響物，生成的Br2為乙二醛制備乙醛酸的中間產物，故A錯誤；2 陽極上為Br-Br，Br將乙二醛氧化為乙醛酸，故B2 電解過程中陰陽極均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸轉移電子為2mol，1mol乙二醛生成1mol乙醛