電化學(xué)催化簡介課件

電化學(xué)催化簡介

一、電化學(xué)催化的定義

電化學(xué)催化：在電場的作用下，存在于電極表面或溶液相中的修飾物（電活性的、非電活性的）能促進(jìn)或抑制在電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而電極表面或溶液相中的修飾物本身不發(fā)生變化的化學(xué)作用。電催化的目的：降低電化學(xué)反應(yīng)的過電位，尋求具有較低能量的活化途徑，使電極反應(yīng)在平衡電勢附近以高電流密度發(fā)生。電化學(xué)催化的特點：1、電催化反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)與熱力學(xué)數(shù)據(jù)都與電壓、電流數(shù)據(jù)密切相關(guān)，可以通過控制外部電壓的方式方便快捷的控制電催化反應(yīng)的進(jìn)行，同時也有利于其相關(guān)催化機理的研究。2、反應(yīng)主要在電解質(zhì)溶液中進(jìn)行。故電極僅限于金屬、半導(dǎo)體等電性材料。體系僅限于電解質(zhì)溶液體系（也包括高溫時的熔融鹽和固體電解質(zhì)體系）1、氧化還原電催化電化學(xué)催化反應(yīng)過程中，固定在電極表面或存在于電解液中的催化劑本身發(fā)生了氧化—還原反應(yīng)，吸附過程包括了電子的轉(zhuǎn)移。

A：底物；Ox：催化劑的氧化態(tài)；B：產(chǎn)物；R：催化劑的還原態(tài)對比兩種不同不同的氧化還原電催化反應(yīng)，多相催化反應(yīng)有幾點優(yōu)勢：

⑴通常只涉及簡單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)；

⑵通過比均相催化中用量少得多的催化劑，可在反應(yīng)層內(nèi)提供高濃度的催化劑；

⑶從理論上預(yù)測，對反應(yīng)速度的提高要遠(yuǎn)超過均相催化劑；

⑷不需要分離產(chǎn)物和催化劑。

實例：氫氣在酸性溶液的析出

H3O++M+e-

→M-H+H2O（質(zhì)子放電）

M-H+H3O++e-→H2+M+H2O(電化學(xué)脫附）

2M-H→H2+2M（表面復(fù)合）M-H表示電極表面上的氫的化學(xué)吸附物種。氧氣和氯氣的陽極析出也屬于此類反應(yīng)。三、電催化劑的性能電催化劑在電化學(xué)反應(yīng)中的作用是通過形成活性中間體來顯著降低過電位，提高電流密度來催化反應(yīng)。

電催化劑的通性：（1）催化劑具備一定的電子導(dǎo)電性；（2）催化劑具備較好的催化活性；（3）催化劑具備較好的電化學(xué)穩(wěn)定性影響電催化劑活性的主要因素：（1）催化劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；（2）催化劑的氧化-還原電勢；（3）催化劑載體的影響（基底電極）；三、電催化劑的幾個研究方向貴金屬（鉑系）電催化劑DSA尺寸穩(wěn)定陽極碳材料載體的運用非貴金屬電催化劑納米技術(shù)在電催化劑中的運用合金催化劑二元催化劑：Pt-Ru/C,Pt-Mo/C,Pt-Sn/C;多元催化劑：PtRu2WO3/C、PtRuW/C等合金增強型催化劑：多元合金催化劑中添加成分，通常本身沒有催化活性或活性很低，但加到主催化劑（如Pd或Pt）中形成混合相或合金相后，由于各種協(xié)同作用使催化劑表現(xiàn)出更好的催化性能，包括反應(yīng)過電位降低、電流密度增大或穩(wěn)定性提高等。陽極：單獨的Pt（粒徑≤5nm）高度分散于比表面積大的炭黑（10-30wt%）；陰極：Pt同Co、Ni、Fe、Cu等元素構(gòu)成的二元和多元合金高度分散于耐氧能力極佳的乙炔黑，合金化可以使過電位降低數(shù)十mV。

燃料電池的電催化劑（Pt/C電極）：圖為大連物化所合成Pt/C電極的透射電鏡圖，平均粒徑為3nmDSA尺寸穩(wěn)定陽極：又稱為催化涂層鈦陽極在Ti板上通過ReO2系金屬氧化物與TiO2的固溶體進(jìn)行熱分解后涂覆于Ti板上比石墨電極具有更好耐腐蝕性強度和加工性能，價格也較Pt電極便宜。

尺寸穩(wěn)定電極目前在氯堿、電鍍、廢水處理中均有較多的研究和實際應(yīng)用。釕銥鈦陽極用于氯堿,次氯酸鈉,污水處理,海水淡化等。鉭銥鈦陽極用于電解生產(chǎn)銅箔,鋁箔,鐵箔等釕鈦陽極用于燒堿,苛性鉀,氯酸鈉,次氯酸鈉等氯鹽電解。

非貴金屬電催化劑：目前研究中的非貴金屬電催化劑主要有金屬氧化物，合金和過渡金屬大環(huán)化合物等。

在酸性電解液中，金屬卟啉是空氣電極最有希望的催化劑，它能有效促進(jìn)雙氧水分解，使電池的工作電壓提高，增加放電容量。卟啉的過渡金屬配合物是由接近平面結(jié)構(gòu)的大雜環(huán)配體和處于平面中心的過渡金屬離子所組成，其表面具有堿性基團(tuán)時，可有效促進(jìn)分子氧的還原活性。納米技術(shù)在電催化中的應(yīng)用當(dāng)前，各種重要的電催化領(lǐng)域均使用高分散的金屬納米顆粒作為催化劑，因而納米尺寸效應(yīng)成為該領(lǐng)域的一個重要課題。納米金屬顆粒電催化的特點有：首先，納米顆粒具有不同于塊體材料的表面原子排列結(jié)構(gòu)，而表面原子結(jié)構(gòu)直接決定其電子性質(zhì)和吸附性能。其次，由于納米催化劑顆粒的尺寸與界面雙電層的厚度相當(dāng)，勢必會使納米催化劑上的雙電層結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)尺度的電化學(xué)界面。與非納米材料相比"使用納米電催化材料可大大降低過電位，有效改善電催化性能，顯著提高催化效率，由于催化反應(yīng)一般是在催化劑的表面進(jìn)行，因此納米微粒的比表面較大是其作為電催化劑非常有利的一個因素。