世紀電化學和電分析化學趙凱元ppt課件

1、21世紀電化學和電分析化學-現(xiàn)代電化學和電分析的最新研討方向和前沿領(lǐng)域主講人 趙凱元2002年12月電化學是重要的邊緣科學 與電子學、固體物理學、生物學親密相關(guān) 包括電分析化學、有機電化學、催化電化學、熔鹽電化學、固體電解質(zhì)、量子電化學、半導體電化學、腐蝕電化學、生物電化學以及環(huán)境電化學等分支。 涉及能源、交通、資料、生命以及環(huán)境等艱苦問題；推進國民經(jīng)濟和尖端科技的開展。其運用已遠遠超出化學領(lǐng)域：例如精細電合成、金屬電冶煉、化學電源、金屬腐蝕和防護、外表精飾、電解加工、電化學分別、污染物電化學處置、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物分子識別等。 現(xiàn)代電化學和電分析的前沿領(lǐng)域。無機、有機電合成、電催化與電

2、活性聚合物-精細特殊化學品電合成；能源電化學：新電源、燃料電池、光、微電池新興電冶、電鍍、外表電精飾、電加工技術(shù)綠色電化學：電化學技術(shù)處置環(huán)境污染物生命電化學：膜-電化學、細胞電化學、免疫電化學光電化學、光譜、聲、熱、磁電化學等 傳統(tǒng)的組分分析已到達ppt級 各種新型傳感器的研制和運用日益深化 各種各樣的化學修飾電極和微電極使分析檢測日益特征化、功能化 模擬生物膜體系的電分析技術(shù)是認識生命活動最直接的途徑 光譜及各種波譜電化學可以從原子、分子程度研討生物物質(zhì)的構(gòu)造和構(gòu)成過程 納米電化學和納米修飾電極實現(xiàn)了分子自組裝電化學新能源電化學新能源 現(xiàn)代能源：礦物熱能、水能、風能、核能、太陽能、轉(zhuǎn)化為電

3、能利用 物理電源-將光、熱、核、水、風能轉(zhuǎn)化成電能 化學電源-化學能直接轉(zhuǎn)化成電能。包括原電池、蓄電池、儲能電池、燃料電池 目前化學電源的研制方向有：高比能、長壽命、大功率的動力電池；高效率、無污染燃料電池或電站；輕便、高效軍用電池；空間探求和海洋開發(fā)輔助電源；醫(yī)療、電子用的小型和微型電池 太陽能電池、光電解水和氫能開發(fā)新新 型型 電電 源源 新型高能電池：銀鋅電池、鎳氫電池、鋰電池、鋰離子電池、固體電解質(zhì)電池； 燃料電池的特點：燃料化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。高能效60%、少污染、適用廣、易操作；缺陷是本錢高、壽命短。 燃料電池分類：堿性燃料電池AFC 、磷酸燃料電池PAFC、聚合物電解質(zhì)膜SPF

4、C、碳酸鹽熔鹽MCFC、固態(tài)氧化物電解質(zhì)SOFC、甲醇直接氧化燃料電池等 燃料電池運用：大規(guī)模發(fā)電站100MW、小型發(fā)電站、宇宙空間站、火車和軍艦動力、化工消費、污水處置等。 太陽能電池包括硅太陽能電池和液結(jié)太陽能電池光電解水和氫能開發(fā) 光電解水：如n-SrTiO2H2O Pt 氫能開發(fā)：熱化學循環(huán)制氫： 2FeSO4+I2+H2SO42HI+ Fe2(SO4)3光解 2HI I2+H2 (熱分解708K) Fe2(SO4)3+H2O 2FeSO4+ H2SO4+1/2O2電解 總反響： H2O H2 +1/2O2 煤漿電解制氫： 陰極：4H+4e 2 H2 陽極： Cs+2 H2O 4H+

5、+CO2 +4e 總反響：Cs+2 H2O 2 H2 +CO2電電 合合 成成 電合成特點：1.調(diào)理電位、改動電極反響速度E=40kJ/V，v= 107倍，快速，常溫常壓，不加熱加壓2.控制和選擇電位、電極和溶劑，可按希望方向反響高選擇性、付反響少，高收率，高純度3.電子作試劑，產(chǎn)物易分別搜集，污染少4.電化學參數(shù)便于采集，過程易于實現(xiàn)延續(xù)自動化消費5.缺陷是耗能量大,電解槽構(gòu)造復雜,消費才干低,難維修無機物電合成簡介無機物電合成簡介 無機物電解可分為電復原和電氧化兩類;電極過程包括：金屬電極過程、氣體電極過程、電解氧化復原過程、電催化過程 重要無機電合成工業(yè)：氯堿工業(yè)、電解水制氫、制重水、電

6、解法制高錳酸鉀、二氧化錳、過氧化氫、高氯酸鹽和氯酸鹽、鉻酸、氧化亞銅、臭氧、氟等，多屬于強氧化劑和高活性物質(zhì)。 電催化：電極顯著影響電極反響速度，而電極本身不發(fā)生凈變化的作用。特點是與電極電位有關(guān)，受介質(zhì)和溶劑影響，常在低溫下作用。有機電合成簡介 有機電化學反響特點：有機分子與電極間交換電子，在電極外表生成陰陽離子或其自在基等活潑中間體。兩個反響物分子中通常在親核位和親電位之間發(fā)生反響。為使兩個極性一樣的基團反響，必需將其中一個的極性反轉(zhuǎn)，而電化學方法就可以將反響物的極性反轉(zhuǎn)，因此有機電合成就成為重要的手段。 由于電極的固液界面上生成活潑中間體表現(xiàn)出如下的獨特性質(zhì)：立體定向性，如甲基環(huán)己烯的陽

7、極乙酰氧化反響，生成順式異構(gòu)體而非熱反響的反式異構(gòu)體；分布特殊性，活潑中間體在分散分開電極外表前就與試劑反響。例如亞胺陽離子復原成碳陰離子，強酸性介質(zhì)中被鹵代烴烷基化，產(chǎn)率很高，用于生物堿合成。而熱化學反響的中間體溶液中均勻分布，酸性介質(zhì)中那么必先質(zhì)子化。 有機電化學反響分類：伴隨電子得失常有共價鍵的構(gòu)成和斷裂，因此反響較無機電合成復雜。按有機反響特點分類：加成陽極親核與陰極親電、取代陽極親核試劑進攻親電基團，陰極相反、消除加成的逆反響、官能團轉(zhuǎn)換陽極氧化轉(zhuǎn)換，陰極復原轉(zhuǎn)換。按電極反響特點分類：陽極氧化、陰極復原、耦合反響和間接氧化復原等。有機電合成的陽極氧化和陰極復原 陽極氧化： 脂肪烴的C

8、-C、C-H鍵斷裂，構(gòu)成碳陽離子，反響氧化電位很高； 烯烴的雙鍵移去電子成陽離子自在基，然后加成、取代或二聚 醇、醚、羰基化合物氧化 電化學鹵化氟化、氯化、溴化、碘化等 含氮、含硫化合物的氧化 芳香化合物的陽極官能化 雜環(huán)化合物的陽極氧化 間接電氧化 陰極復原： 含C=C雙鍵的陰極復原 鹵代物的陰極復原 羰基化合物陰極復原醛、酮、羧酸、酯、酰胺 含氮化合物陰極復原芳香硝基化合物、脂肪硝基化合物、偶氮化合物、晴等 含硫化合物陰極復原特殊有機電合成1。導電聚合物：分子復合物如四氰代二次甲基苯醌與喹琳構(gòu)成的復鹽、具有共軛構(gòu)造的化合物如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等具有共軛鍵2。有機電致顯色資料：金屬有機螯

9、合物氧化復原型、導電聚合物電致顯色資料3。耗費陽極法電合成：采用無隔膜電解槽，以溶解的金屬陽極Mg、Al用鹵代烴與二氧化碳為原料，在非質(zhì)子溶劑中合成了一系列羧酸、酮、醛、醇等有機物4。CO2電化學復原- CO2中碳源再利用電復原成草酸、草酸鋅、CO、尿素等5。固體聚合物電解質(zhì)SPE法有機電合成：利用金屬-SPE復合電極的多孔金屬層作為電子導體和電催化劑，SPE既作隔膜又傳送離子，電解反響在SPE、金屬催化劑和有機溶液三相界面上進展，降低歐姆降，無須支持電解質(zhì)，擴展溶劑選擇范圍，簡化分別、提純，減少污染。6。有機聲電合成：利用聲波的空化效應，使介質(zhì)微區(qū)瞬間發(fā)熱、發(fā)光放電，發(fā)生解離產(chǎn)生自在基導致一

10、系列反響。環(huán)境電化學環(huán)境電化學 包括環(huán)境治理、環(huán)境監(jiān)測與控制、資源回收再生。大氣污染、水污染和其它廢棄物污染是當前環(huán)境維護的主要課題。目前主要是采用物理、化學和生物的方法進展處置。而電化學方法因其突出的優(yōu)點得到迅速的開展。 電化學方法處置廢物有許多優(yōu)點： 1.多功能：利用直接或間接氧化復原、相分別、濃縮或稀釋、生物功能等方法處置廢渣、廢液和廢氣，處置量可從幾微升到數(shù)百萬升； 2.耗費能量較低：操作溫度低，副反映少能量損失??； 3.便于自動控制：采集電參數(shù)，易于實現(xiàn)過程自動化控制； 4.有利于環(huán)保：電化學處置普通是僅用電子作為試劑，不運用其它化學試劑，過程具有高度選擇性，副反響少，不會呵斥二次污

11、染，被稱謂21世紀的綠色環(huán)保化學。 5.本錢不高：假設設計適宜，那么設備和操作條件都比較簡單。電化學可處置污染物簡介 電化學方法可處置的污水： 1.可電解氧化或復原的有害組分：急性毒物如氰、砷、農(nóng)藥等；有毒重金屬如鉻、鎳、鎘、汞、鉛；耗氧污染物如無機耗氧物亞硫酸鹽、硫化物、亞鐵鹽和氨等，有機耗氧物主要是可生物降解的有機物質(zhì)；致病微生物如醫(yī)院污水中的病原體。 上述水污染物可用電解氧化或復原的方法進展處置，將毒物變成無毒物質(zhì)或有用物質(zhì)。 2.需綜合治理的有害成分：富營養(yǎng)物如富含氮、磷等的污水；油類污染物如石油、涂料、煤氣和機械加工的工業(yè)污水；放射性污染物如放射性礦物、核電站、醫(yī)院廢水的放射性物質(zhì)。

12、 上述污染物需結(jié)合混凝、沉淀、酸堿中和、廓清、沙濾、吸附等物理化學方法綜合處置。 電化學方法可處置的廢氣： 1。二氧化碳處置與再生碳資源；近年來努力于CO2的電化學復原為有用物質(zhì)的研討，這樣既可維護生態(tài)環(huán)境，又能回收碳資源。 CO2的電化學復原可得到甲酸和甲醇，也可以得到草酸，還可以將其電解化合固定到其他有機物中。如CO2存在下電解1，4苯醌得到2，5二氫苯甲酸。也有對CO2 復原進展光電化學和光催化的研討。 2。硫和氮的氧化物的處置與利用：通常是將這些氣體轉(zhuǎn)移到水溶液中進展電化學處置，變成有用的物質(zhì)。如SO2電復原可得到連二亞硫酸鹽，是造紙和紡織工業(yè)的所需重要化學品。 對氣體污染物的處置多數(shù)

13、是將其吸收到溶液中進展電解處置，可分為內(nèi)電解池和外電解池兩種方法。電化學處置污染物的方法簡介電化學處置污染物的方法簡介電解處置污染物方法：1.不溶性陽極電氧化法分解氰、酚、染料等雜質(zhì)或生成陽極中間體間接分解毒物或殺菌；2.陰極復原法除去重金屬； 3.鐵陽極電復原法生成氫氧化鐵凝聚劑除去水中氧化物和膠體物質(zhì)，如含鉻和蛋白質(zhì)及染料的污水； 4.鋁陽極電凝聚法除去膠體物質(zhì)； 5.電浮離法用陽極和陰極產(chǎn)生的氧氣和氫氣浮上分別污水中的雜質(zhì)； 6.隔膜電解法回收和凈化濃廢液中的離子和低分子雜質(zhì)；7.電滲析法用離子交換膜的選擇性透過特性分別、濃縮和凈化水中離子和低分子雜質(zhì)。環(huán)境電分析技術(shù)簡介1 環(huán)境電分析技

14、術(shù)從運用的電化學技術(shù)大體可分為:電位法、安培庫侖法、伏安法、電導法等；從所用器件分有離子選擇性電極法、化學修飾電極法、生物電化學傳感器法等。 離子選擇性電極電勢法：對溶液中某種離子具有選擇性反響，電極電位符合能斯特呼應的一類電極。用以檢測污水中、或可溶于溶液中的各種離子型污染物。其中氣敏電極可以直接用于檢測大氣中的污染物。離子選擇性電極法已廣泛用于環(huán)境監(jiān)測。例如水硬度、酸度、氟、氰、銨和氨、重金屬、氮氧化物、硫化物、一氧化碳、二氧化碳等污染組分的檢測。 溶出伏安法：將待測離子首先電積富集到電極上再溶出，獲得極高的靈敏度，檢出限可到達19-910-10 mol.L-1。目前用的最多的是直流快掃溶

15、出法和微分脈沖溶出法。后者可到達10-12 mol.L-1，分辨率也很高。此外，目前已出現(xiàn)了懸汞溶出、吸附溶出、修飾電極溶出、微電極溶出等多種更靈敏的方法。溶出法的靈敏度高、抗干擾強、高分辨、高精度、儀器簡單廉價，因此廣泛運用于環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生防疫、臨床醫(yī)學、生物學、食品、冶金地質(zhì)等領(lǐng)域。水質(zhì)分析、大氣監(jiān)測、毒物分析、生物活體的現(xiàn)場檢測、污染物的自然循環(huán)過程的監(jiān)測。環(huán)境電分析技術(shù)簡介2 化學修飾電極法：目前化學修飾電極的研討已到達能借助外表合成的方法勝利制造預設計的電極/溶液界面區(qū)，在電極外表控制分子構(gòu)造的才干，展現(xiàn)了一個創(chuàng)新的寬廣研討領(lǐng)域。它在能量轉(zhuǎn)換、信息儲存和顯示、電化學分析以及生物傳感器

16、等方面翻開了新局面?；瘜W修飾電極在環(huán)境科學中的運用也日益廣泛。各種各樣的化學修飾電極與各種新興電化學技術(shù)相結(jié)合，開辟了環(huán)境治理和環(huán)境監(jiān)測的最新技術(shù)領(lǐng)域?；瘜W修飾的膜化學、電催化、電分析、電滲析技術(shù)等，被用于環(huán)境污染治理和環(huán)境污染物的檢測。 例如：三辛基氧化磷修飾的玻碳電極，插入含UO22+和噻吩甲酰三氟丙酮的HAc-NaAc溶液中，在電極外表構(gòu)成鈾的三元絡合物，檢測鈾的靈敏度可到達110-10mol.L-1.。 又如：8-羥基喹啉修飾的玻碳電極，由于某些金屬離子如Tl+與電極外表的8-羥基喹啉構(gòu)成外表絡合物，加強了測定金屬離子的靈敏度，可測定水中的Tl+到達110-10mol.L-1.。 有些

17、有機污染物難以直接進展電化學檢測，修飾電極可以修飾上對有機污染物有催化作用的修飾物，用以測定這些有機污染物。生物電化學與生命電化學 今日的生物電化學已涉及各種生物學問題：如新陳代謝、光協(xié)作用、膜景象、信息傳送、基因攝取和細胞交融、致病和醫(yī)療機理。 1腦波、心電、筋電是熟知的生物電景象 2細胞膜電位和刺激傳送 3有關(guān)核酸的電化學-研討堿基腺嘌呤電復原過程討論生理機能 4金屬蛋白質(zhì)的電極反響-血紅素蛋白質(zhì)的氧化復原機理 5醫(yī)學與醫(yī)療中的電化學-人體內(nèi)的微量元素、毒物對人體生理機能的影響、DNA和肽鏈的構(gòu)造分析 6食品與營養(yǎng)學中的電化學-食品中微量元素的分析，生物堿分析生物電化學傳感器 生物電化學傳

18、感器簡介 電化學傳感器是將非電參數(shù)變?yōu)殡妳?shù)的安裝。按檢測方法可分為：電位傳感器、安培/庫侖傳感器、伏安傳感器和電導傳感器。 生物電化學傳感器是固定化的生物資料與適當?shù)男盘栟D(zhuǎn)換器親密結(jié)合而構(gòu)成的分析器件成為生物傳感器，假設將生物信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器就是生物電化學傳感器。 生物電化學傳感器包括：酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、免疫傳感器等。 制造方法普通有：包埋法、交連法、載體結(jié)合法等 電化學診斷治療器件簡介 生物燃料電池-心臟起博器1mw，人工心臟驅(qū)動電源5mw；可用體內(nèi)活性物質(zhì)直接發(fā)電，如生理體液自動燃料電池生成葡萄糖酸的體內(nèi)燃料電池；生成二氧化碳和水的體內(nèi)燃料電池 生物分子識別

19、的傳感器-離子選擇場效應晶體管傳感器；DNA識別傳感器 電刺激傳導治療儀-微電極植入脈沖治療器，電磁治療儀， 人工心臟和人工腎臟系統(tǒng)-人工心臟起博器，人工腎臟電滲析系統(tǒng) 體內(nèi)診斷器件-復合微電極系統(tǒng)我們的研討任務簡介之一 近年來，我們的主要研討方向是生物電化學和環(huán)境電化學。在這些領(lǐng)域我們的任務還僅僅是起步。由于條件和才干所限，任務還很淺薄，這里僅簡單引見一些初步的探求。 一。超微電極及其在生物電化學方面的研討 1鉛筆芯修飾聚苯胺制造微型復合pH-電極的性能 分析測試學報，00 2碳基針空組合微電極的性能測試與實際研討物理化學學報，02 3碳纖維組合超微電極的性能測試與實際討論分析化學，已錄用，待發(fā)表 4