Question

钠离子电池由于成本低、资源丰富，成为取代锂离子电池在大规模储能领域应用的理想选择。作为钠离子电池的正极材料之一，束状碳包覆K₃V₂(PO₄)₃纳米线电极材料成为关注焦点之一。其制备工艺流程如图：

（资料）

①石煤的主要成分为V₂O₃，含有Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等杂质。

②+5价钒在溶液中的主要存在形式与溶液pH的关系如下表。

（1）K₃V₂(PO₄)₃中V的化合价为___。

（2）焙烧时，向石煤中加生石灰，将V₂O₃转化为Ca(VO₃)₂。

①为了提高焙烧过程中氧化效率，下述工艺步骤方法合理的是___。

a.在回转窑进行富氧焙烧，助燃风气量为煤气量的0.5~2倍

b.焙烧过程中，在焙烧物料中加入辅助剂，增加物料疏松度和透气性

c.窑体进行分段控温

d.调控料层厚度为窑体的2/3高度

②焙烧过程中主要反应的化学方程式为__________。

（3）实验时将NH₄VO₃、KOH和H₃PO₄按物质的量分别为5mmol、7.5mmol、7.5mmol依次溶解于20mL去离子水中，溶液颜色依次为白色浑浊、无色澄清透明和棕红色透明溶液。随后再加入H₂C₂O₄·2H₂O，搅拌至溶液变为黄绿色，草酸的量对K₃V₂(PO₄)₃形貌的影响如下：

①实验条件下束状碳包覆K₃V₂(PO₄)₃纳米线样品制备的最佳条件为___。

②亚硫酸钠是常用的还原剂，但实验中不能用亚硫酸钠代替草酸晶体，原因是___。

（4）加入的草酸晶体是过量的，其中只有的草酸为还原剂，将VO₃^-还原成VO²⁺，的草酸以C₂O₄^2-的形式存在，此过程中反应的离子方程式为___。

（5）“氩气中煅烧”时，氩气的作用是___。

（6）某工厂利用上述工艺流程，用10t石煤生产束状碳包覆K₃V₂(PO₄)₃纳米线0.8064t，若整个过程中钒的总回收率为80%，则石煤中钒元素的质量分数为___。

Answer

+3 a、b、c 草酸质量为6.0g 草酸在合成束状碳包覆K2V2(PO4)3纳米线的过程中不仅做还原剂还影响其形貌 防止K2V2(PO4)3被氧化 2.04%

【解析】

石煤的主要成分为V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等杂质，在空气中焙烧，生成Ca(VO3)2，固体进行酸浸，生成Fe3+、Al3+、Ca2+、等，加入萃取剂将含的物质萃取，然后进行反萃取操作将含的物质提纯，向所得溶液中加入沉淀剂生成NH4VO3，NH4VO3与KOH、H3PO4反应后得到棕红色透明含溶液，然后向溶液中加入过量草酸晶体发生氧化还原反应，将还原成VO2+，然后进行干燥，将固体在氩气中煅烧制备束状碳包覆K3V2(PO4)3纳米线，以此解答。

（1）K3V2(PO4)3中K元素化合价为+1价，带3个单位负电荷，根据化合物化合价为0可知，V呈+3价；

（2）①a．焙烧过程中V元素被氧化，在富氧环境中焙烧有利于提高氧化效率，故a符合题意；

b．增加物料疏松度和透气性可提高固体反应的效率以及反应速率，可提高氧化效率，故b符合题意；

c．分段控温可防止过热导致固体结块，可提高氧化效率，故c符合题意；

d．若料层厚度过高，不利于反应的充分进行，因此需降低料层的厚度，故d不符合题意；

故答案为：a、b、c；

②焙烧过程中V2O3转化为Ca(VO3)2，V元素化合价升高，因此空气中O2参加反应，其反应方程式为：；

（3）①由表格可知，若要制备出均一的束状K3V2(PO4)3纳米线，则草酸的量为6.0g；

②草酸在合成过程中作还原剂，由表格可知，草酸晶体的使用量不同，纳米线的形貌也会发生该变，因此选用草酸晶体而不用亚硫酸钠的原因为：草酸在合成束状碳包覆K2V2(PO4)3纳米线的过程中不仅做还原剂还影响其形貌；

（4）草酸只有的草酸为还原剂，草酸被氧化为CO2，并将还原成VO2+，的草酸以的形式存在，根据氧化还原转移电子守恒、电荷守恒以及原子守恒可知该离子反应方程式为：；

（5）K3V2(PO4)3中V呈+3价，容易被空气中氧气氧化，因此用氩气作保护气，防止K3V2(PO4)3被氧化；

（6）设石煤中钒元素的质量分数为，根据整个过程中V元素质量守恒可得：

，=，解得=0.0204，则石煤中钒元素的质量分数为2.04%。