綠色能源的開發(fā)利用是未來能源發(fā)展的重要方向，也是實現(xiàn)“碳中和”目標的重要舉措。CH₄與CO₂催化重整是實現(xiàn)碳中和的熱點研究課題。1991年，Ashcroft提出了甲烷二氧化碳重整的技術理論：氣體分子吸附至催化劑表面后發(fā)生反應。500℃時，反應原理如下：
反應Ⅰ．主反應：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）ΔH₁K_p1
反應Ⅱ．副反應：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）ΔH₂=+41.0kJ?mol^-1
反應Ⅲ．積碳反應：2CO（g）?CO₂（g）+C（s）
反應Ⅳ．積碳反應：CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）
其中，副反應Ⅲ、Ⅳ形成的積碳易導致催化劑失去活性。
（1）在原料氣中添加微量O₂有利于保持催化劑的活性，其原因是

微量O₂可以降低積碳

微量O₂可以降低積碳

。
（2）Δ_fH_m^θ為標準摩爾生成焓，其定義為標準狀態(tài)下，由穩(wěn)定相態(tài)的單質(zhì)生成1mol該物質(zhì)的焓變．對于穩(wěn)定相態(tài)單質(zhì)，其Δ_fH_m^θ為零。根據(jù)上述信息及下表所給數(shù)據(jù)，計算反應Ⅰ的反應熱ΔH₁=

+247.3 kJ?mol^-1

+247.3 kJ?mol^-1

。

物質(zhì)	CH4	CO2	CO
ΔfHmθ（kJ?mol-1）	-74.8	-393.5	-110.5

（3）在恒溫恒容密閉容器中，通入一定量的CH₄、CO₂發(fā)生催化重整反應（假定只發(fā)生主反應1．當投料比

n

（

C

l

4

）

n

（

C

O

2

）

=1.0時，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與溫度（T）、初始壓強（p）的關系如圖所示。由圖可知：壓強p₁

＜

＜

2MPa（填“＞”、“＜”或“=”）；當溫度為T₃、初始壓強為2MPa時，a點的v_正

＜

＜

v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）。起始時向1L恒容容器中加入2mol CH₄和2mol CO₂，在溫度為T₀、初始壓強為2MPa條件下反應，用壓強表示該反應的平衡常數(shù)：K_p=

4

4

（分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)）。

（4）用電化學方法還原CO₂將其轉(zhuǎn)化為其它化學產(chǎn)品可以實現(xiàn)對CO₂的綜合利用。如圖是在酸性條件下電化學還原CO₂的裝置示意圖：

已知：法拉第效率（FE）的定義：FE（B）=

n

（

生成

B

所用的電子

）

n

（

通過附極的電子

）

×100%。控制pH=1、電解液中存在KCl時，電化學還原CO₂過程中CH₄（其他含碳產(chǎn)物未標出）和H₂的法拉第效率變化如圖所示。

①寫出陰極產(chǎn)生CH₄的電極反應：

CO₂+8H⁺+8e^-=CH₄+2H₂O

CO₂+8H⁺+8e^-=CH₄+2H₂O

。
②結(jié)合上圖的變化規(guī)律，推測KCl可能的作用是

KCl的存在有利于CO₂還原成CH₄，不利于生成氫氣（或KCl的濃度大于1mol/L時，KCl抑制了陰極產(chǎn)生氫氣，提高了CO₂電化學還原生成CH₄的選擇性）

KCl的存在有利于CO₂還原成CH₄，不利于生成氫氣（或KCl的濃度大于1mol/L時，KCl抑制了陰極產(chǎn)生氫氣，提高了CO₂電化學還原生成CH₄的選擇性）

。
③c（KCl）=3mol/L時，22.4L（已折合為標準狀況，下同）的CO₂被完全吸收并還原為CH₄和C₂H₄，分離H₂后，將CH₄和C₂H₄混合氣體通入如圖所示裝置（反應完全），出口處收集到氣體8.96L（不考慮水蒸氣），則FE（C₂H₄）=

22.5%

22.5%

。