Pin nhiên liệu hydrogen-oxygen (sơ đồ đơn giản hóa như hình bên) là một loại pin điện hóa chuyển hóa năng lượng hóa học từ phản ứng giữa hydrogen và oxygen thành điện năng.
20/28
Pin nhiên liệu hydrogen-oxygen (sơ đồ đơn giản hóa như hình bên) là một loại pin điện hóa chuyển hóa năng lượng hóa học từ phản ứng giữa hydrogen và oxygen thành điện năng.
Quá trình này diễn ra trong hai điện cực được ngăn cách bởi màng trao đổi H+. Tại cực âm (anode), khí hydrogen bị oxi hóa thành ion H+, trong khi tại cực dương (cathode), oxygen bị khử thành H2O trong môi trường acid. Cho thế điện cực chuẩn của các quá trình:
H2 → 2H+ + 2e; \[E{^\circ _{2{H^ + }/{H_2}}} = {\rm{ }}0,00{\rm{ }}V\]
Trong môi trường acid:
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O; \[E{^\circ _{{O_2},4{H^ + }/{H_2}O}}{\rm{ }} = {\rm{ }}1,23{\rm{ }}V\]
Trong môi trường kiềm:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH−; \[E{^\circ _{{O_2},{H_2}O/4O{H^ - }}} = {\rm{ }}0,40{\rm{ }}V\]
Ở điều kiện chuẩn trong môi trường acid, oxygen có tính oxi hóa mạnh hơn trong môi trường base.
Sức điện động chuẩn của pin nhiên liệu hydrogen-oxygen là 0,83V.
Khi pin nhiên liệu hoạt động xảy ra phản ứng trực tiếp giữa oxygen và hydrogen tạo nước và giải phóng năng lượng.
Pin nhiên liệu hydrogen-oxygen ít gây ô nhiễm hơn acquy chì do sản phẩm cuối cùng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin là ion H+.
(a) Đúng, thế điện cực chuẩn càng lớn thì tính oxi hóa của dạng oxi hóa càng mạnh. O₂/H⁺ có thế điện cực chuẩn lớn hơn hẳn O₂/OH⁻ (1,23V so với 0,40V) nên trong môi trường acid O₂ có tính oxi hóa mạnh hơn đáng kể chính nó trong môi trường base.
(b) Sai, pin trên sử dụng môi trường acid nên E° = 1,23 − 0,0 = 1,23V
(c) Sai, phản ứng trực tiếp giữa O2 và H2 sẽ giải phóng năng lượng nhiệt và ánh sáng, không tận dụng được dòng electron tạo nên dòng điện. Vì vậy hệ thống phải dùng phản ứng gián tiếp, quá trình xảy ra trên 2 bề mặt điện cực khác nhau, điện cực anode đóng vai trò nơi tiếp nhận electron từ H2 nhường ra, điện cực cathode cung cấp electron cho O2.
(d) Sai, đúng là pin nhiên liệu hydrogen-oxygen ít gây ô nhiễm hơn acquy chì rất nhiều, nhưng sản phẩm cuối cùng của pin là H2O, không phải H+ (H+ sinh ra ở cực này nhưng lại bị tiêu thụ ở cực kia với lượng bằng nhau nên không đổi)