(Hóa 12 - Chương 5) Từ những năm 2000, Đan Mạch đã đầu tư nghiên cứu mạnh thiết bị điện phân ion oxy rắn (SOEC) và năm 2021 đã triển khai để sản xuất ammonia công nghiệp thay thế cho quy trình Haber-Bosch truyền thống. Hình dưới đây mô tả sơ đồ nguyên lí của thiết bị SOEC:

[Hình cần kiểm tra lại: p34_f1]

Lớp màng ion oxygen chỉ cho phép ion O${}_2^{-}$ đi qua và phản ứng tại anode. Nếu đưa không khí và hơi nước vào SOEC thì sau khi điện phân tạo ra hỗn hợp khí A và hỗn hợp khí B. Hỗn hợp A có chứa hơi nước chưa tham gia phản ứng, sau khi cho qua thiết bị loại bỏ nước thì nó có thể được đưa trực tiếp vào quy trình Haber-Bosch để sản xuất ammonia. Coi không khí chỉ gồm N${}_2$ và O${}_2$ trong đó O${}_2$ chiếm 20\% thể tích không khí.
Cho các phát biểu sau:

(AI giải đề cho tôi)
Tại cathode: hơi nước bị khử $2H_{2}O+4e\to 2H_2+2O^{2-}$; đồng thời $O_2$ trong không khí cũng bị khử tại cathode $O_2+4e\to 2O^{2-}$ (O2 là chất oxi hóa nên không tồn tại trong hỗn hợp A). $N_2$ không phản ứng, đi qua vào A. Ion $O^{2-}$ qua màng đến anode bị oxi hóa: $2O^{2-}\to O_2+4e$ tạo hỗn hợp B (chứa $O_2$). Vậy A (sau khi loại nước) chỉ chứa $H_2$ và $N_2$ — phù hợp đưa thẳng vào Haber–Bosch.
a) Sai: trong A không có $O_2$ vì $O_2$ trong không khí bị khử hết ở cathode.
b) Đúng: cả NaOH rắn và CaCl2 rắn đều là chất làm khô không tác dụng với $H_2$, $N_2$.
c) Đúng: tại anode ion $O^{2-}$ bị oxi hóa: $2O^{2-}\to O_2+4e$.
d) Sai: gọi số mol không khí là $a$, hơi nước $w$. $N_2=0,8a$ nên cần $H_2=3\times 0,8a=2,4a$. Hiệu suất 80% nghĩa là chỉ 80% hơi nước bị điện phân tạo $H_2$: $0,8w=2,4a\Rightarrow w=3a$, tức tỷ lệ không khí : hơi nước = 1 : 3, không phải 1 : 2.
a) (AI giải đề cho tôi)
O2 trong không khí bị khử tại cathode (O2 + 4e → 2O2−) nên A chỉ chứa H2, N2 và hơi nước.
b) (AI giải đề cho tôi)
NaOH rắn và CaCl2 rắn đều hút nước và không phản ứng với H2, N2.
c) (AI giải đề cho tôi)
Tại anode: 2O2− → O2 + 4e, đúng về bảo toàn điện tích và nguyên tử.
d) (AI giải đề cho tôi)
Cần H2 = 3N2 = 2,4a; với hiệu suất 80%: 0,8w = 2,4a → w = 3a, tỷ lệ là 1 : 3 chứ không phải 1 : 2.