Question

【題目】液相催化還原法去除水體中是一項很有前景的技術(shù)。某科研小組研究該方法中使用的固體催化劑Pd-Cu/TiO2的制備和催化條件，結(jié)果如下。

Ⅰ．制備Pd-Cu/TiO2的反應過程如下圖所示，光照使TiO2發(fā)生電荷分離，將金屬Pd沉積在TiO2表面。再用類似方法沉積Cu，得到在TiO2納米顆粒表面緊密接觸的Pd-Cu納米簇。

（1）該過程中，乙醇發(fā)生__________（填“氧化”或“還原”）反應。

（2）請在②中補全光照條件下形成Pd-Cu納米簇的反應過程示意圖_______。

Ⅱ．Pd-Cu/TiO2分步催化還原機理如圖a所示。其他條件相同，不同pH時，反應1小時后轉(zhuǎn)化率和不同產(chǎn)物在總還原產(chǎn)物中所占的物質(zhì)的量的百分比如圖b所示。

（3）該液相催化還原法中所用的還原劑是__________。

（4）i的離子方程式是__________。

（5）研究表明，OH–在Pd表面與競爭吸附，會降低Pd吸附的能力，但對Pd吸附H的能力影響不大。

①隨pH增大，N2和氨態(tài)氮在還原產(chǎn)物中的百分比均減小，原因是____________，導致反應ⅱ的化學反應速率降低。

②隨pH減小，還原產(chǎn)物中的變化趨勢是__________，說明Pd表面吸附的和H的個數(shù)比變大，對反應__________（用離子方程式表示）更有利。

（7）使用Pd-Cu/TiO2，通過調(diào)節(jié)溶液pH，可將盡可能多地轉(zhuǎn)化為N2，具體方法是__________。

Answer 1

【答案】氧化 H2 Cu＋NO3- = NO2-＋CuO 或 H2＋NO3- NO2-＋ H2O Pd表面單位面積吸附的數(shù)目減小 增大 2NO2-＋6H = N2＋4H2O＋2OH- 先調(diào)節(jié)溶液的pH到12，待NO3-幾乎完全轉(zhuǎn)化為NO2-后，調(diào)節(jié)pH到4

【解析】

根據(jù)制備Pd-Cu/TiO2的反應過程示意圖，Cu2+、Pb2+得電子發(fā)生還原反應，則乙醇發(fā)生氧化反應。Pd-Cu/TiO2分兩步催化硝酸根離子的轉(zhuǎn)化反應，先將硝酸根離子還原為亞硝酸根離子，再將亞硝酸根離子還原為氮氣或氨態(tài)氮。

（1）根據(jù)制備Pd-Cu/TiO2的反應過程示意圖中①，Pb2+得電子發(fā)生還原反應，則乙醇發(fā)生氧化反應。

（2）根據(jù)①的示意圖，②中銅離子應得電子生成銅，乙醇與其發(fā)生反應，則光照條件下形成Pd-Cu納米簇的反應過程②示意圖為。

（3）根據(jù)圖a可知，氫氣生成氨態(tài)氮，氫元素的化合價升高，失去電子，作該液相催化還原法中還原劑。

（4）i中銅與硝酸根離子反應生成亞硝酸根離子和銅離子，或Pd-Cu/TiO2作催化劑，硝酸根離子與氫氣發(fā)生氧化還原反應生成亞硝酸根離子和水，根據(jù)得失電子守恒，得到離子方程式Cu＋NO3- = NO2-＋CuO 或 H2＋NO3- NO2-＋ H2O。

（5）①因為OH–在Pd表面與NO2-競爭吸附，會降低Pd吸附NO2-的能力，隨pH增大，OH–濃度增大，導致Pd表面單位面積吸附的 NO2-數(shù)目減小，N2和氨態(tài)氮在還原產(chǎn)物中的百分比均減小，反應ⅱ的化學反應速率降低。

②根據(jù)圖b所示，隨pH減小，n(N2)增大，n（氨態(tài)氮）變化不大，則還原產(chǎn)物中增大，Pd表面吸附的NO2-和H的個數(shù)比變大，NO2-更易轉(zhuǎn)化為N2，根據(jù)得失電子守恒，得到對應的離子方程式為2NO2-＋6H = N2＋4H2O＋2OH-。

（7）根據(jù)圖b所示，pH=12時，NO2-所占的物質(zhì)的量的百分比最高，pH=4時，N2所占的物質(zhì)的量的百分比最高，所以先調(diào)節(jié)溶液的pH到12，待NO3-幾乎完全轉(zhuǎn)化為NO2-后，調(diào)節(jié)pH到4使用Pd-Cu/TiO2，通過調(diào)節(jié)溶液pH，可將NO3-盡可能多地轉(zhuǎn)化為N2。