電催化原理及應(yīng)用

電催化原理及應(yīng)用化學(xué)13-1高龍飛2.電化學(xué)催化原理3.電催化特點(diǎn)1.引言4.電催化電極5.影響電催化的因素6.電催化的前景許多化學(xué)反響盡管在熱力學(xué)上是可行的，但由于反響速度太小而沒(méi)有實(shí)際意義。為了使這類反響具有使用價(jià)值，就需要引入催化反響和催化劑，以降低總反響的活化能、提高反響速率。--化學(xué)催化因此而誕生。常規(guī)催化作用機(jī)理光合作用中酶參與的催化作用酶的催化作用過(guò)程1.機(jī)理：降低反響的活化能。2.需要催化劑的參與。3.催化改變化學(xué)反響速率而不影響化學(xué)平衡的作用。4.本質(zhì)上是一種化學(xué)作用。5.反響前后催化劑的量和質(zhì)均不發(fā)生改變的反響。6.常規(guī)催化的關(guān)鍵是催化劑。電催化的定義在電場(chǎng)作用下電極外表或液相中的物質(zhì)促進(jìn)或抑制電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反響，而電極外表或溶液中物質(zhì)本身并不發(fā)生變化的化學(xué)作用。選用適宜的電極材料，以加速電極反響的作用。所選用的電極材料在通電過(guò)程中具有催化劑的作用，從而改變電極反響速率或反響方向，而其本身并不發(fā)生質(zhì)的變化。與常規(guī)的催化化學(xué)相比1.在常規(guī)的化學(xué)催化中，反響物和催化劑的電子轉(zhuǎn)移是在限定區(qū)域進(jìn)行的，因此，在反響過(guò)程中既不能從外電路導(dǎo)入電子也不能從反響體系導(dǎo)出電子。在電極催化反響中有純電子的轉(zhuǎn)移，電極作為反響的催化劑，既是反響的場(chǎng)所，又是電子的供受場(chǎng)所。2.常規(guī)的化學(xué)催化電子的轉(zhuǎn)移催化無(wú)法從外部加以控制，而電催化可以利用外部回路控制電流，從而控制反響。電催化特點(diǎn)電催化作用覆蓋著電極反響和催化作用兩個(gè)方面，因此電催化劑必需同時(shí)具有這兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；②能對(duì)底物進(jìn)行有效的催化活化作用。能導(dǎo)電的材料并不都具有對(duì)底物的活化作用，反之亦然。電催化電極電極------是指與電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，它既是電子貯存器，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的輸入或輸出，又是電化學(xué)反響發(fā)生的場(chǎng)所。電催化電極------首先是一個(gè)電子導(dǎo)體，其次要具有催化功能。即對(duì)電化學(xué)反響進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。催化電極組成和結(jié)構(gòu)1.根底電極所謂根底電極，也叫電極基質(zhì)，是指具有一定強(qiáng)度、能夠承載催化層的一類物質(zhì)。一般采用貴金屬電極和碳電極。根底電極無(wú)電催化活性，只承擔(dān)著作為電子載體的功能。高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和與電催化組成具有一定的親和性是對(duì)根底電極根本的要求。2.外表材料目前電催化電極外表材料主要涉及過(guò)渡金屬及半導(dǎo)體化合物。它們的共同作用就是降低復(fù)雜反響的活化能，到達(dá)電催化的目的。而半導(dǎo)體的特殊能帶結(jié)構(gòu)使產(chǎn)物不易被吸附在電極外表，所以氧化速率還要高于一般電極。電極對(duì)催化材料的要求有：反響外表積要大；有較好的導(dǎo)電能力；吸附選擇性強(qiáng)；在使用環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；盡量防止氣泡的產(chǎn)生；機(jī)械性能好；資源豐富且本錢低；環(huán)境友好。3.載體根底電極與電催化涂層有時(shí)親和力不夠，致使電催化涂層易脫落，嚴(yán)重影響電極壽命。所謂電催化電極的載體就是一類起到將催化物質(zhì)固定在電極外表，且維持一定強(qiáng)度的一類物質(zhì)。4.電極外表結(jié)構(gòu)電催化電極的外表微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)也是影響電催化性能的重要因素之一。而電極的制備方法直接影響到電極的外表結(jié)構(gòu)。無(wú)論是提高催化活性還是提高孔積率，改善傳質(zhì)、改進(jìn)電極外表微觀結(jié)構(gòu)都是一個(gè)重要手段，因而電極的制備工藝絕對(duì)是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。催化電極的材料1.金屬電極金屬電極是指以金屬作為電極反響界面的裸露。電極，除堿金屬和堿土金屬外，大多數(shù)金屬作為電化學(xué)電極均有很多研究報(bào)道，特別是氫電極反響。2.碳素電極3.金屬氧化物電極導(dǎo)電金屬氧化物電極具有重要的電催化特性，這類電極大多為半導(dǎo)體材料，實(shí)際上對(duì)這類材料性質(zhì)的研究是以半導(dǎo)體材料為根底建立的。4.非金屬化合物電極一般所說(shuō)的非金屬電極是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金屬材料作為電極材料，最大的優(yōu)勢(shì)在于這類材料的特殊物理性質(zhì)，如高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、良好的腐蝕性以及類似金屬的性質(zhì)等。催化電極的特性電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟〞的地位，電催化特性是電化學(xué)處理技術(shù)用電極的核心內(nèi)容。我們既希望電極對(duì)所要處理的有機(jī)物表現(xiàn)出高的反響速率，又要有好的選擇性。催化電極的功能：既能導(dǎo)電，又能對(duì)反響物進(jìn)行活化，提高電子的轉(zhuǎn)移速率，對(duì)電化學(xué)反響進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。因此，良好的電催化電極應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)性能：1.良好的導(dǎo)電性，至少與導(dǎo)電材料〔例如石墨、銀粉〕結(jié)合后能為電子交換反響提供不引起嚴(yán)重電壓降的電子通道，即電極材料的電阻不能太大；2.高的催化活性，即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的催化反響，抑制不需要或有害的副反響；3.良好的穩(wěn)定性，即能夠耐受雜質(zhì)及中間產(chǎn)物的作用而不致較快地被污染或中毒而失活，并且在實(shí)現(xiàn)催化反響的電勢(shì)范圍內(nèi)催化外表不至于因電化學(xué)反響而過(guò)早失去催化活性，此外還包括良好的機(jī)械物理性質(zhì)，外表層不脫落、不溶解。影響電催化的因素影響處理效果的的主要因素可分四個(gè)方面，即電極材料、電解質(zhì)溶液、廢水的理化性質(zhì)和工藝因素(電化學(xué)反響器的結(jié)構(gòu)電流密度、通電量等)。其中，電極材料是近年研究的重點(diǎn)。1.電極材料在電解法處理有機(jī)廢水的過(guò)程中，電極不僅起著傳送電流的作用，而且對(duì)有機(jī)物的氧化降解起催化作用，電極材料選擇的好壞，直接影響有機(jī)物降解效率的上下。電解過(guò)程主要是通過(guò)陽(yáng)極反響來(lái)降解有機(jī)物的，而且電位越高，有機(jī)物的脫除效果越明顯。但電位過(guò)高會(huì)受到陽(yáng)極材質(zhì)腐蝕和多種副反響的制約，主要競(jìng)爭(zhēng)副反響是陽(yáng)極氧氣的析出，因此催化電極應(yīng)具有較高的析氧超電勢(shì)。2.電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液對(duì)有機(jī)物的電化學(xué)催化氧化的影響主要表達(dá)在兩個(gè)方面:〔1〕電解質(zhì)溶液的濃度〔2〕電解質(zhì)的種類。3.廢水的理化性質(zhì)同一電極對(duì)不同有機(jī)物表現(xiàn)出不同的電催化氧化效率。廢水體系的pH值等因素也常常會(huì)影響電極的電氧化效率。4.工藝因素盡量設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)時(shí)空效率高、能耗低的電化學(xué)反響器。前景電催化電極不僅具有很好的節(jié)能、降耗作用,而且在電化學(xué)水處理技術(shù)中起著極其重要作用,特別是電化學(xué)水處理技術(shù)對(duì)有機(jī)物具有特殊的降解能力,因而被水處理界寄予厚望,具有非常廣闊的應(yīng)用前景,在環(huán)境保護(hù)中占有重要的位置。當(dāng)前