以CO2和水蒸氣為原料，在等離子體和雙金屬催化劑xZnO?yZrO2的作用下制備CH3OH。研究表明，在等離子體的協(xié)同下，雙金屬催化劑中的ZrO2更易形成氧空位，從而更有利于吸附或結(jié)合外界O原子，使得制備CH3OH的反應(yīng)條件更趨溫和。
（1）催化劑的制備
將一定比例的Zn（NO3）2?6H2O和ZrO（NO3）2?7H2O溶于水，攪拌下將其滴入pH為8的氨水中，充分反應(yīng)后得到xZn（OH）2?yZr（OH）4沉淀，將固體過(guò)濾、洗滌、干燥，于550°C焙燒6h,制得雙金屬催化劑xZnO?yZrO2。寫出生成xZn（OH）2?yZr（OH）4沉淀的離子方程式：xZn2++yZrO2++（2r+2y）NH3?H2O+yH2O=xZn（OH）2?yZr（OH）4↓+（2x+2y）NH4+xZn2++yZrO2++（2r+2y）NH3?H2O+yH2O=xZn（OH）2?yZr（OH）4↓+（2x+2y）NH4+。
（2）工藝參數(shù)的研究
控制水蒸氣流速為28.74mL?min-1、溫度為150°C、反應(yīng)電流為4.17A，在使用單獨(dú)的等離子體（P）、等離子體與雙金屬催化劑協(xié)同（CP）兩種不同催化條件下，測(cè)得CO2流量對(duì)醇類產(chǎn)量的影響關(guān)系如圖1所示。
①無(wú)論使用何種催化條件，CH3OH的產(chǎn)量均隨著CO2流速的增大而下降，其原因是 增大CO2的流速，縮短了CO2和水蒸氣的接觸時(shí)間，更多的原料氣未得到充分反應(yīng)增大CO2的流速，縮短了CO2和水蒸氣的接觸時(shí)間，更多的原料氣未得到充分反應(yīng)。
②分析圖像可知，選用等離子體與雙金屬催化劑協(xié)同催化條件的優(yōu)勢(shì)是 抑制生成乙醇的副反應(yīng)的發(fā)生，且能夠提高甲醇產(chǎn)量抑制生成乙醇的副反應(yīng)的發(fā)生，且能夠提高甲醇產(chǎn)量。
（3）反應(yīng)機(jī)理的分析
利用等離子體和雙金屬催化劑xZnO?yZrO2催化CO2和H2O反應(yīng)生成CH3OH的過(guò)程中Zr的化合價(jià)發(fā)生變化，可能機(jī)理如圖2所示：
說(shuō)明：圖中的
表示ZnO，
表示ZrO2，
表示氧空位；“一”表示化學(xué)鍵，“……”表示吸附作用。
①Zr的常見(jiàn)化合價(jià)有+2、+3和+4，如圖所示機(jī)理的步驟（iii） 中，元素Zr化合價(jià)發(fā)生的變化為 +3價(jià)變?yōu)?4價(jià)+3價(jià)變?yōu)?4價(jià)。
②增大反應(yīng)電流，等離子體會(huì)釋放出數(shù)量更多、能量更大的帶負(fù)電的高能粒子。隨著反應(yīng)電流的增加，CH3OH的產(chǎn)量增大，其可能原因是 在數(shù)量更多、能量更大的帶負(fù)電的高能粒子作用下，更多的水蒸氣分子斷裂出H原子；同時(shí)催化劑中的ZrO2表面形成更多的氧空位，提高了反應(yīng)物在催化劑上的吸附能力和成鍵能力，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行在數(shù)量更多、能量更大的帶負(fù)電的高能粒子作用下，更多的水蒸氣分子斷裂出H原子；同時(shí)催化劑中的ZrO2表面形成更多的氧空位，提高了反應(yīng)物在催化劑上的吸附能力和成鍵能力，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。
【考點(diǎn)】制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)．
【答案】xZn2++yZrO2++（2r+2y）NH3?H2O+yH2O=xZn（OH）2?yZr（OH）4↓+（2x+2y）NH4+；增大CO2的流速，縮短了CO2和水蒸氣的接觸時(shí)間，更多的原料氣未得到充分反應(yīng)；抑制生成乙醇的副反應(yīng)的發(fā)生，且能夠提高甲醇產(chǎn)量；+3價(jià)變?yōu)?4價(jià)；在數(shù)量更多、能量更大的帶負(fù)電的高能粒子作用下，更多的水蒸氣分子斷裂出H原子；同時(shí)催化劑中的ZrO2表面形成更多的氧空位，提高了反應(yīng)物在催化劑上的吸附能力和成鍵能力，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行
【解答】
【點(diǎn)評(píng)】
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發(fā)布：2024/6/27 10:35:59組卷：27引用：1難度：0.5
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1．硫鐵礦燒渣是硫鐵礦生產(chǎn)硫酸過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣（主要含F(xiàn)e2O3及少量SiO2、Al2O3、CaO、MgO等雜質(zhì)）．用該燒渣制取藥用輔料--紅氧化鐵的工藝流程如圖：
（1）在“還原焙燒”中產(chǎn)生的有毒氣體可能有．
（2）“酸浸”時(shí)間一般不超過(guò)20min,若在空氣中酸浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溶液中Fe2+含量將下降，其原因是（用離子方程式表示）．
（3）根據(jù)下表數(shù)據(jù)：
在“除雜”步驟中，為除去Fe3+和Al3+，溶液的pH最大值應(yīng)小于氫氧化物 Al（OH）3 Mg（OH）2 Fe（OH）3 Fe（OH）2 開(kāi)始沉淀的pH 3.10 8.54 2.01 7.11 完全沉淀的pH 4.77 11.04 3.68 9.61 ，檢驗(yàn)Fe3+已經(jīng)除盡的試劑是；當(dāng)pH=5時(shí)，溶液中c（Al3+）=mol?L-1（已知常溫下Ksp[Al（OH）3]=2.0×10-33）．
（4）“中和合成”的目的是將溶液中Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓醽嗚F沉淀，則A的操作是．
（5）a g燒渣經(jīng)過(guò)上述工藝可得紅氧化鐵b g.藥典標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制得的紅氧化鐵中含氧化鐵不得少于98.0%，則所選用的燒渣中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于（用含a、b的表達(dá)式表示）．發(fā)布：2025/1/19 8:0:1組卷：114引用：4難度：0.5 -
2．硫鐵礦燒渣是硫鐵礦生產(chǎn)硫酸過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣（主要含F(xiàn)e2O3及少量SiO2、Al2O3等雜質(zhì)）．用該燒渣制取藥用輔料--紅氧化鐵的工藝流程如下：
（1）在“還原焙燒”中產(chǎn)生的有毒氣體可能有．
（2）“酸浸”時(shí)間一般不超過(guò)20min,若在空氣中酸浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溶液中Fe2+含量將下降，其原因是（用離子方程式表示）．
（3）根據(jù)下表數(shù)據(jù)：
在“除雜”步驟中，為除去Fe3+和Al3+，溶液的pH最大值應(yīng)小于氫氧化物 Al（OH）3 Fe（OH）3 Fe（OH）2 開(kāi)始沉淀的pH 3.10 2.01 7.11 完全沉淀的pH 4.77 3.68 9.61 ，檢驗(yàn)
Fe3+已經(jīng)除盡的試劑是．
（4）“中和合成”的目的是將溶液中Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓醽嗚F沉淀，則操作B是．
（5）煅燒A的反應(yīng)方程式是．
（6）a g燒渣經(jīng)過(guò)上述工藝可得紅氧化鐵b g.藥典標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制得的紅氧化鐵中含氧化鐵不得少于98.0%，則所選用的燒渣中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于（用含a、b的表達(dá)式表示）．發(fā)布：2025/1/19 8:0:1組卷：5引用：1難度：0.5 -
3．硫鐵礦燒渣是硫鐵礦生產(chǎn)硫酸過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣（主要含F(xiàn)e2O3及少量SiO2、Al2O3、CaO、MgO等雜質(zhì)）．用該燒渣制取藥用輔料--紅氧化鐵的工藝流程如下：
（1）在“還原焙燒”中產(chǎn)生的有毒氣體可能有．
（2）“酸浸”時(shí)間一般不超過(guò)20min,若在空氣中酸浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溶液中Fe2+含量將下降，其原因是（用離子方程式表示）．
（3）根據(jù)下表數(shù)據(jù)：
在“除雜”步驟中，為除去Fe3+和Al3+，溶液的pH最大值應(yīng)小于氫氧化物 Al（OH）3 Mg（OH）2 Fe（OH）3 Fe（OH）2 開(kāi)始沉淀的pH 3.10 8.54 2.01 7.11 完全沉淀的pH 4.77 11.04 3.68 9.61 ，常溫下，當(dāng)pH=5時(shí)，溶液中c（Al3+）=mol?L-1（已知常溫下Ksp[Al（OH）3]═2.0×10-33）．
（4）“中和合成”的目的是將溶液中Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓醽嗚F沉淀，則A的操作是．發(fā)布：2025/1/19 8:0:1組卷：12引用：1難度：0.5
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