2025年高中化學(xué)知識競賽“化學(xué)能源”利用方案設(shè)計大賽試題（三）一、理論分析題（共30分）（一）能源分類與轉(zhuǎn)化原理能源分類（1）根據(jù)能源的再生性，可分為可再生能源和不可再生能源。下列能源中屬于可再生能源的是太陽能、風(fēng)能、氫能，屬于不可再生能源的是煤、石油、天然氣。生物質(zhì)能通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，其主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，通過生物化學(xué)轉(zhuǎn)化（如厭氧發(fā)酵）可生成甲烷等燃料。（2）化學(xué)電源按工作原理可分為一次電池、二次電池和燃料電池。鋰離子電池屬于二次電池，其充放電過程中發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，正極材料常用鈷酸鋰（LiCoO?），負(fù)極材料為石墨，電解質(zhì)為六氟磷酸鋰（LiPF?）的有機溶液。能量轉(zhuǎn)化效率（1）燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其理論效率可達(dá)85%-90%，遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機（約30%-40%）。以氫氧燃料電池為例，寫出酸性條件下的電極反應(yīng)式：負(fù)極：H?-2e?=2H?正極：O?+4H?+4e?=2H?O總反應(yīng)：2H?+O?=2H?O（2）太陽能光伏電池的能量轉(zhuǎn)化效率受材料影響顯著。硅基電池的效率約為15%-22%，鈣鈦礦電池可達(dá)25%以上，但鈣鈦礦材料存在穩(wěn)定性差、鉛泄漏等問題。（二）能源利用與環(huán)境影響碳中和技術(shù)（1）CO?的捕集與轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。通過催化加氫反應(yīng)可將CO?轉(zhuǎn)化為甲醇（CH?OH），反應(yīng)方程式為CO?+3H??CH?OH+H?O，該反應(yīng)的ΔH**<0**（填“>”或“<”），在低溫高壓條件下有利于平衡正向移動。（2）生物質(zhì)能的利用可減少碳排放，原因是生物質(zhì)生長過程吸收CO?，燃燒時釋放等量CO?，實現(xiàn)碳循環(huán)。傳統(tǒng)能源的清潔化煤的氣化是將煤轉(zhuǎn)化為潔凈燃料的過程，主要反應(yīng)為C(s)+H?O(g)?CO(g)+H?(g)，該反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）。水煤氣（CO和H?）燃燒時的污染物排放量遠(yuǎn)低于煤直接燃燒，原因是避免了硫、氮氧化物的生成。二、方案設(shè)計題（共40分）（一）校園新能源綜合利用方案某中學(xué)計劃構(gòu)建“太陽能-氫能-儲能”一體化能源系統(tǒng)，以滿足實驗室用電需求。請設(shè)計該系統(tǒng)的核心技術(shù)方案，包括以下內(nèi)容：能量轉(zhuǎn)化流程太陽能采集：采用單晶硅光伏板（效率18%），面積為50m2，當(dāng)?shù)厝站栞椛淞繛?kWh/m2，每日可產(chǎn)生電能50m2×5kWh/m2×18%=45kWh。電解水制氫：利用光伏電力驅(qū)動電解槽，選用質(zhì)子交換膜（PEM）電解技術(shù)，電解效率為75%。寫出電解水的化學(xué)方程式：2H?O=2H?↑+O?↑（條件：通電）。氫能儲存與利用：采用高壓氣態(tài)儲氫（35MPa），儲氫罐容積為100L，標(biāo)準(zhǔn)狀況下H?密度為0.0899g/L，理論儲氫量為0.0899g/L×100L×(35MPa/0.1MPa)=3146.5g（假設(shè)理想氣體狀態(tài)方程適用）。氫氧燃料電池作為備用電源，輸出功率為1kW時，每小時消耗H?0.0893mol（已知1molH?完全反應(yīng)釋放285.8kJ能量，電池效率80%）。系統(tǒng)優(yōu)化措施儲能調(diào)節(jié)：當(dāng)光伏電力過剩時，通過鋰離子電池儲能，其充放電效率為90%；不足時，啟動燃料電池供電。環(huán)境適配：冬季低溫時，光伏板效率下降10%，需額外補充生物質(zhì)燃料燃燒供熱，以維持電解槽工作溫度（60-80℃）。（二）廢舊電池回收與再利用針對校園內(nèi)廢舊鋰離子電池，設(shè)計回收方案：拆解與分離：通過機械破碎、篩分分離出正極材料（LiCoO?）、負(fù)極材料（石墨）和電解液。電解液主要成分為碳酸乙烯酯（EC），需進(jìn)行蒸餾回收以防止污染。正極材料再生：采用酸浸法溶解LiCoO?，反應(yīng)方程式為2LiCoO?+3H?SO?+H?O?=Li?SO?+2CoSO?+4H?O+O?↑，通過調(diào)節(jié)pH沉淀Co(OH)?和Li?CO?，再合成LiCoO?。三、計算題（共30分）（一）燃料電池效率計算某氫氧燃料電池轎車以30kW功率行駛，每百公里消耗H?1kg。已知H?的燃燒熱為285.8kJ/mol，計算：轎車行駛1小時（假設(shè)勻速，速度60km/h）消耗H?的物質(zhì)的量：行駛距離=60km/h×1h=60km，消耗H?質(zhì)量=1kg/100km×60km=0.6kg=600g，物質(zhì)的量=600g÷2g/mol=300mol。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率：輸出能量=30kW×1h=30kWh=30×3.6×10?J=1.08×10?J；H?完全燃燒釋放能量=300mol×285.8kJ/mol=85740kJ=8.574×10?J；效率=(輸出能量/燃燒能量)×100%=(1.08×10?J/8.574×10?J)×100%≈125.9%（注：此處因未考慮H?壓縮、傳輸?shù)饶芰繐p失，實際效率需結(jié)合系統(tǒng)綜合計算）。（二）CO?加氫制甲醇的產(chǎn)率分析在2L密閉容器中，通入2molCO?和6molH?，發(fā)生反應(yīng)CO?(g)+3H?(g)?CH?OH(g)+H?O(g)，500K時平衡常數(shù)K=2.5。計算：平衡時CO?的轉(zhuǎn)化率：設(shè)平衡時CO?轉(zhuǎn)化xmol，則：K=[CH?OH][H?O]/([CO?][H?]3)=(x/2)(x/2)/[((2-x)/2)((6-3x)/2)3]=2.5解得x≈1.2mol，轉(zhuǎn)化率=(1.2mol/2mol)×100%=60%。若溫度升高至600K，K減小，判斷該反應(yīng)為放熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）。四、拓展探究題（共20分）（一）新型儲能材料鈣鈦礦太陽能電池的化學(xué)式為ABX?，其中A為有機陽離子（如CH?NH??），B為金屬陽離子（如Pb2?），X為鹵素離子（如I?）。其光吸收效率高的原因是晶體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光吸收系數(shù)和載流子遷移率。但鉛的毒性限制了其應(yīng)用，可通過錫（Sn2?）替代鉛或表面包覆二氧化鈦（TiO?）降低毒性。（二）能源政策與可持續(xù)發(fā)展我國提出“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”目標(biāo)，化學(xué)在其中的作用包括：開發(fā)新能源技術(shù)：如高效光伏材料、固