應用電化學-1-1-基礎知識課件

1、應用電化學Applied Electrochemistry教材：應用電化學楊輝，盧文慶編著， 科學出版社2013年春季學期參考書目電極過程動力學導論（第三版），查全性電化學方法：原理和應用（第二版），巴德等3.電化學原理（修訂版）或（第三版），李荻4.電化學，吳輝煌主編，化學工業(yè)出版社5.電化學測量方法，賈錚等編著，化學工業(yè)出版社6.應用電化學，楊綺琴等編著，中山大學出版社7.應用電化學，祁魯生等編著，華中理工大學出版社8.應用電化學，賈夢秋、楊文勝編著，高等教育出版社成績組成平時成績：30分（課堂表現(xiàn)、作業(yè)）期末考試：70分，閉卷緒論什么是電化學？ 電化學是研究化學能和電能之間相互轉化以及相

2、關的 定律和規(guī)則的科學。 電能化學能電解池原電池0.1 基本概念電化學是研究離子導體的物理化學性質以及電子導體 （electrode, 金屬、半導體）和離子導體（electrolyte, 電解質溶液、熔鹽、固體電解質）之間的界面上所發(fā)生的各種伴有電現(xiàn)象的反應過程的科學。電化學經典電化學電解質溶液理論現(xiàn)代電化學電子/離子導體界面效應兩類導體A.正、負離子作反向移動而導電B.導電過程中有化學反應發(fā)生C.溫度升高，電阻下降D.導電總量分別由正、負離子分擔 第二類導體 又稱離子導體，如電解質溶液、熔融電解質等。*固體電解質，如 等，也屬于離子導體，但它導電的機理比較復雜，導電能力不高，一般以討論電解質

3、水溶液為主。正極、負極電勢低的極稱為負極，電子從負極流向正極。負極：電勢高的極稱為正極，電流從正極流向負極。正極：離子遷移方向：陰離子遷向陽極陽離子遷向陰極原電池(galvanic cell)Cu2+2e- Cu(S)發(fā)生還原作用，是陰極。電流由Cu極流向Zn極，Cu極電勢高，是正極。Cu電極：Zn(S)Zn2+2e-發(fā)生氧化作用，是陽極。電子由Zn極流向Cu極，Zn極電勢低，是負極。Zn電極：電解池(electrolytic cell)與外電源正極相接，是正極。發(fā)生氧化反應，是陽極。Cu(S) Cu2+2e-電極：與外電源負極相接，是負極。發(fā)生還原反應，是陰極。Cu2+2e-Cu(S)電極：

4、法拉第定律的數(shù)學表達式 取電子的得失數(shù)為 z，通入的電量為 Q，則電極上發(fā)生反應的物質的量 n 為： 電極上發(fā)生反應的物質的質量 m 為：或法拉第常數(shù)F=NAe 法拉第常數(shù)在數(shù)值上等于1 mol元電荷的電量。已知元電荷電量為=6.0221023 mol-11.602210-19 C =96484.6 Cmol-196500 Cmol-1荷電粒子基本單元的選取例題： 通電于 溶液，電流強度 ， 析出 。已知 。求： 通入電量 ； 通電時間 ； 陽極上放出氧氣的物質的量。荷電粒子基本單元的選取解法一取基本粒子荷單位電荷：即荷電粒子基本單元的選取解法二 t 同上取基本粒子荷3個基本電荷：即 Au，法

5、拉第定律的意義 是電化學上最早的定量的基本定律，揭示了通入的電量與析出物質之間的定量關系。 該定律在任何溫度、任何壓力下均可以使用。 該定律的使用沒有什么限制條件。電流效率表示式（1）電流效率= 100%理論計算耗電量實際消耗電量表示式（2）電流效率= 100%電極上產物的實際量理論計算應得量0.2 電化學的發(fā)展簡史1、1791年，Galvani(伽伐尼)從事青蛙生理功能的研究時，偶然構成了電化學回路，發(fā)現(xiàn)電堆起電現(xiàn)象。 2、1799年，Volta(伏打)將鋅片與銅片疊起來，中間用浸有硫酸的毛呢隔開，構成電堆“伏打電堆”，世界上第一個將化學能轉化為電能的化學電源。3、1800年，英國的尼科爾森

6、和卡里斯爾采用伏特電池電解水。9、20世紀40年代，前蘇聯(lián)科學家弗盧姆金從化學動力學角度做了大量工作，后來英美科學家在這方面又做了若干奠基性工作，推動了電化學理論的發(fā)展，開始形成以研究電極反應速率及其影響因素為主要對象的電極過程動力學，并使之稱為現(xiàn)在電化學的主體。10、20世紀后半期，電化學科學又有了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了量子電化學、生物電化學等分支學科。11、我國在電化學方面做出重要貢獻的科學家：中科院院士査全性、田昭武、田中群，中國工程院院士衣寶廉等。0.3 電化學反應的主要特點:1. 特殊的氧化還原反應（redos reaction）；2. 特殊的異相催化反應：電極電位不同，催化能力不同電極電

7、位改變，可以大幅影響催化能力電極電位連續(xù)可調，催化活性連續(xù)變化3. 氧化還原等當量進行，得失電子數(shù)相同；4.電極反應一般在常溫常壓下進行，反應所用氧化劑或還原劑為電子，環(huán)境污染少。手機、計算器、手提電腦、照相機、攝像機等的電池，汽車的蓄電池，燃料電池化學電源，利用電化學原理制備的電化學品 電身邊的電化學 手表外殼、手機外殼、自行車鋼圈、芯片電路電鍍 鋁、鋅、銅（電線、家用鍋，各種電器原件、飛 機殼體等）電解制備 鐵生銹電化學過程。防腐電化學方法 NaOH，漂白劑次氯酸鈉，雙氧水，高錳酸鉀，重鉻 酸鉀、二氧化錳，原子反應堆氫彈等用的重水電 化學合成 煤氣（CO）報警器，交警檢測司機喝酒量的檢測

8、器，糖尿病人監(jiān)測血液中葡萄糖含量的檢測儀電 化學傳感器 鋼鐵廠、紡織廠、化工廠、制藥廠以及礦山 等排放廢水中氰、砷的處理；生活污水，造紙 廠、印染廠、食品及釀酒廠廢水中有機耗氧物的 處理，醫(yī)院污水中病菌、病毒和寄生蟲卵等致病 微生物的處理環(huán)境電化學 問題：神州六號，嫦娥登月飛船、艦船潛艇中用到哪些 電化學知識？ 腦電圖、心電圖等診斷技術；治療尿毒癥的人工腎 臟，電化學治癌，電化學控制藥物釋放電化學在醫(yī) 學上的應用Nature 448, 600-603 (2 August 2007) Behavioural improvements with thalamic stimulation after

9、 severe traumatic brain injury38歲的男子在一次襲擊中腦部受傷，6年來，他的肢體一直沒有做出過任何有意義的動作,美國韋爾康奈爾醫(yī)學院的尼古拉斯希夫博士領導的研究小組在該男子的腦中植入了數(shù)個電極，通過開、關電極來進行一種深度腦刺激治療，經過6個月治療，他已經可以用短促但能聽得見的聲音講話。電化學在生物和醫(yī)學中應用的突破裝備德國212型潛艇的燃料電池（西門子公司） 特點： 研究的具體體系大為擴展 處理方法和理論模型開始深入到分子水平 實驗技術迅速提高創(chuàng)新0.5 電化學的發(fā)展趨勢0.5 電化學的發(fā)展趨勢與納米技術、信息、能源、環(huán)境、材料、生物、生命科學等相結合 。納米電

10、化學量子電化學分析電化學有機電化學催化電化學熔鹽電化學生物電化學.第1章 電化學理論基礎1.1 電化學體系的基本單元1.2 電化學過程熱力學1.3 非法拉第過程及電極/溶液界面的性能1.4 法拉第過程和影響電極反應速度的因素1.5 物質傳遞控制反應緒論1.6 電化學研究方法介紹1. 1 電化學體系的基本單元 電極(電子導體) 隔膜 電解質溶液（離子導體） 電解池的設計與安裝工作（研究）電極(working electrode, WE) 液體電極 Hg電極 固體電極 惰性電極（Pt、Au、C）和氧化還原 電極（Cu、Pb、Mg等）電極材料的選擇：背景電流小、電勢窗口寬、導電性好、 穩(wěn)定性高、重現(xiàn)

11、性好、表面活性及表面 吸附性能等。常用的液體Hg電極有：（1）滴汞電極（dropping mercury electrode ，DME）（2）靜態(tài)滴汞電極（ static mercury drop electrode， SMDE）（3）懸汞電極（hanging mercury drop electrode ，HMDE)1.1.1 電極(electrode)金屬電極 Pt、Au、Ag等。 導電性好、背景電流可以忽略、表面改性方便、制備簡單；但表面不均一，真實面積不宜控制、易吸附污染物被污染（雜質影響敏感）、表面可能腐蝕或鈍化。 固體電極 金屬電極和炭電極浸入有機溶劑（如甲醇、丙酮等），除去有機吸

12、附物。機械拋光用金剛砂或氧化鋁拋光膏，按粒度由粗到細打磨（常用粒度1m,0.3m,0.05m），清除表面的有機、無機吸附物，得到清潔、新鮮的金屬表面，保證高的表面光潔度（均一）。電化學拋光反復將電極陽極化（產生氧氣）和陰極化（產生氫氣），氧化吸附的有機物，還原表面金屬氧化物（除去氧化層，得到潔凈金屬表面）。電極表面預處理方法：炭電極：便宜、正電勢方向的電勢窗口大（氧化緩慢）、 可進行化學修飾來改變表面活性等。 熱解石墨（pyrolytic graphite, PG) 高定向熱解石墨（highly ordered PG, HOPG) 玻碳（glassy carbon, GC) 碳纖維（carbo

13、n fiber, CF) 碳納米管（carbon nanotube, CNT) 石墨玻碳對（輔助）電極(counter electrode, CE) 作用傳導電流 要求（1）良好的電子導體 （2）研究電勢范圍內是惰性 （3）面積大于工作電極 （4）形狀與工作電極吻合 （5）放置在與工作電極對稱的位置 常用鍍Pt黑的Pt或Ni等，玻炭、石墨等參比電極(reference electrode, RE) 已知電勢、接近于理想不極化的電極，基本無電流通過,用于測定研究電極的電勢。對參比電極的要求：參比電極應具有良好的可逆性，電極電勢符合Nernst方程參比電極應不易極化；參比電極應具有好的恢復性，參比

14、電極應具有良好的穩(wěn)定性參比電極應具有良好的重現(xiàn)性； 常用參比電極標準氫電極：國際首選參比電極，但在實際測試中使用不方便（需要氣體）。 甘汞電極： HgHg2Cl2(s)KCl(aq) Hg2Cl2+2e-2Hg+2Cl- 飽和KCl, Eo=0.242V -0.64V，無電流Eappl=-0.84V，有電流額外的0.2V包括兩部分：過電勢和溶液的電阻導致的電勢降（iR，歐姆降）歐姆降足夠小(1-2mV)可以采用二電極* 給定的電勢只有一部分作用到電極上Eeq, Cd (about -0.64V vs. SCE)Eapp; (vs. SCE) = ECd(vs. SCE) - iRs2.三電極電解池 工作電極（WE） 參比電極（RE） 對或輔助電極(CE)Luggin capillary電解池設計注意事項：（1）電解池