世纪电化学和电分析化学赵凯元ppt课件

1、21世纪电化学和电分析化学-现代电化学和电分析的最新研讨方向和前沿领域主讲人 赵凯元2002年12月电化学是重要的边缘科学 与电子学、固体物理学、生物学亲密相关 包括电分析化学、有机电化学、催化电化学、熔盐电化学、固体电解质、量子电化学、半导体电化学、腐蚀电化学、生物电化学以及环境电化学等分支。 涉及能源、交通、资料、生命以及环境等艰苦问题；推进国民经济和尖端科技的开展。其运用已远远超出化学领域：例如精细电合成、金属电冶炼、化学电源、金属腐蚀和防护、外表精饰、电解加工、电化学分别、污染物电化学处置、环境监测、医药卫生、生物分子识别等。 现代电化学和电分析的前沿领域。无机、有机电合成、电催化与电

2、活性聚合物-精细特殊化学品电合成；能源电化学：新电源、燃料电池、光、微电池新兴电冶、电镀、外表电精饰、电加工技术绿色电化学：电化学技术处置环境污染物生命电化学：膜-电化学、细胞电化学、免疫电化学光电化学、光谱、声、热、磁电化学等 传统的组分分析已到达ppt级 各种新型传感器的研制和运用日益深化 各种各样的化学修饰电极和微电极使分析检测日益特征化、功能化 模拟生物膜体系的电分析技术是认识生命活动最直接的途径 光谱及各种波谱电化学可以从原子、分子程度研讨生物物质的构造和构成过程 纳米电化学和纳米修饰电极实现了分子自组装电化学新能源电化学新能源 现代能源：矿物热能、水能、风能、核能、太阳能、转化为电

3、能利用 物理电源-将光、热、核、水、风能转化成电能 化学电源-化学能直接转化成电能。包括原电池、蓄电池、储能电池、燃料电池 目前化学电源的研制方向有：高比能、长寿命、大功率的动力电池；高效率、无污染燃料电池或电站；轻便、高效军用电池；空间探求和海洋开发辅助电源；医疗、电子用的小型和微型电池 太阳能电池、光电解水和氢能开发新新 型型 电电 源源 新型高能电池：银锌电池、镍氢电池、锂电池、锂离子电池、固体电解质电池； 燃料电池的特点：燃料化学能直接转化为电能。高能效60%、少污染、适用广、易操作；缺陷是本钱高、寿命短。 燃料电池分类：碱性燃料电池AFC 、磷酸燃料电池PAFC、聚合物电解质膜SPF

4、C、碳酸盐熔盐MCFC、固态氧化物电解质SOFC、甲醇直接氧化燃料电池等 燃料电池运用：大规模发电站100MW、小型发电站、宇宙空间站、火车和军舰动力、化工消费、污水处置等。 太阳能电池包括硅太阳能电池和液结太阳能电池光电解水和氢能开发 光电解水：如n-SrTiO2H2O Pt 氢能开发：热化学循环制氢： 2FeSO4+I2+H2SO42HI+ Fe2(SO4)3光解 2HI I2+H2 (热分解708K) Fe2(SO4)3+H2O 2FeSO4+ H2SO4+1/2O2电解 总反响： H2O H2 +1/2O2 煤浆电解制氢： 阴极：4H+4e 2 H2 阳极： Cs+2 H2O 4H+

5、+CO2 +4e 总反响：Cs+2 H2O 2 H2 +CO2电电 合合 成成 电合成特点：1.调理电位、改动电极反响速度E=40kJ/V，v= 107倍，快速，常温常压，不加热加压2.控制和选择电位、电极和溶剂，可按希望方向反响高选择性、付反响少，高收率，高纯度3.电子作试剂，产物易分别搜集，污染少4.电化学参数便于采集，过程易于实现延续自动化消费5.缺陷是耗能量大,电解槽构造复杂,消费才干低,难维修无机物电合成简介无机物电合成简介 无机物电解可分为电复原和电氧化两类;电极过程包括：金属电极过程、气体电极过程、电解氧化复原过程、电催化过程 重要无机电合成工业：氯碱工业、电解水制氢、制重水、电

6、解法制高锰酸钾、二氧化锰、过氧化氢、高氯酸盐和氯酸盐、铬酸、氧化亚铜、臭氧、氟等，多属于强氧化剂和高活性物质。 电催化：电极显著影响电极反响速度，而电极本身不发生净变化的作用。特点是与电极电位有关，受介质和溶剂影响，常在低温下作用。有机电合成简介 有机电化学反响特点：有机分子与电极间交换电子，在电极外表生成阴阳离子或其自在基等活泼中间体。两个反响物分子中通常在亲核位和亲电位之间发生反响。为使两个极性一样的基团反响，必需将其中一个的极性反转，而电化学方法就可以将反响物的极性反转，因此有机电合成就成为重要的手段。 由于电极的固液界面上生成活泼中间体表现出如下的独特性质：立体定向性，如甲基环己烯的阳

7、极乙酰氧化反响，生成顺式异构体而非热反响的反式异构体；分布特殊性，活泼中间体在分散分开电极外表前就与试剂反响。例如亚胺阳离子复原成碳阴离子，强酸性介质中被卤代烃烷基化，产率很高，用于生物碱合成。而热化学反响的中间体溶液中均匀分布，酸性介质中那么必先质子化。 有机电化学反响分类：伴随电子得失常有共价键的构成和断裂，因此反响较无机电合成复杂。按有机反响特点分类：加成阳极亲核与阴极亲电、取代阳极亲核试剂进攻亲电基团，阴极相反、消除加成的逆反响、官能团转换阳极氧化转换，阴极复原转换。按电极反响特点分类：阳极氧化、阴极复原、耦合反响和间接氧化复原等。有机电合成的阳极氧化和阴极复原 阳极氧化： 脂肪烃的C

8、-C、C-H键断裂，构成碳阳离子，反响氧化电位很高； 烯烃的双键移去电子成阳离子自在基，然后加成、取代或二聚 醇、醚、羰基化合物氧化 电化学卤化氟化、氯化、溴化、碘化等 含氮、含硫化合物的氧化 芳香化合物的阳极官能化 杂环化合物的阳极氧化 间接电氧化 阴极复原： 含C=C双键的阴极复原 卤代物的阴极复原 羰基化合物阴极复原醛、酮、羧酸、酯、酰胺 含氮化合物阴极复原芳香硝基化合物、脂肪硝基化合物、偶氮化合物、晴等 含硫化合物阴极复原特殊有机电合成1。导电聚合物：分子复合物如四氰代二次甲基苯醌与喹琳构成的复盐、具有共轭构造的化合物如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等具有共轭键2。有机电致显色资料：金属有机螯

9、合物氧化复原型、导电聚合物电致显色资料3。耗费阳极法电合成：采用无隔膜电解槽，以溶解的金属阳极Mg、Al用卤代烃与二氧化碳为原料，在非质子溶剂中合成了一系列羧酸、酮、醛、醇等有机物4。CO2电化学复原- CO2中碳源再利用电复原成草酸、草酸锌、CO、尿素等5。固体聚合物电解质SPE法有机电合成：利用金属-SPE复合电极的多孔金属层作为电子导体和电催化剂，SPE既作隔膜又传送离子，电解反响在SPE、金属催化剂和有机溶液三相界面上进展，降低欧姆降，无须支持电解质，扩展溶剂选择范围，简化分别、提纯，减少污染。6。有机声电合成：利用声波的空化效应，使介质微区瞬间发热、发光放电，发生解离产生自在基导致一

10、系列反响。环境电化学环境电化学 包括环境治理、环境监测与控制、资源回收再生。大气污染、水污染和其它废弃物污染是当前环境维护的主要课题。目前主要是采用物理、化学和生物的方法进展处置。而电化学方法因其突出的优点得到迅速的开展。 电化学方法处置废物有许多优点： 1.多功能：利用直接或间接氧化复原、相分别、浓缩或稀释、生物功能等方法处置废渣、废液和废气，处置量可从几微升到数百万升； 2.耗费能量较低：操作温度低，副反映少能量损失小； 3.便于自动控制：采集电参数，易于实现过程自动化控制； 4.有利于环保：电化学处置普通是仅用电子作为试剂，不运用其它化学试剂，过程具有高度选择性，副反响少，不会呵斥二次污

11、染，被称谓21世纪的绿色环保化学。 5.本钱不高：假设设计适宜，那么设备和操作条件都比较简单。电化学可处置污染物简介 电化学方法可处置的污水： 1.可电解氧化或复原的有害组分：急性毒物如氰、砷、农药等；有毒重金属如铬、镍、镉、汞、铅；耗氧污染物如无机耗氧物亚硫酸盐、硫化物、亚铁盐和氨等，有机耗氧物主要是可生物降解的有机物质；致病微生物如医院污水中的病原体。 上述水污染物可用电解氧化或复原的方法进展处置，将毒物变成无毒物质或有用物质。 2.需综合治理的有害成分：富营养物如富含氮、磷等的污水；油类污染物如石油、涂料、煤气和机械加工的工业污水；放射性污染物如放射性矿物、核电站、医院废水的放射性物质。

12、 上述污染物需结合混凝、沉淀、酸碱中和、廓清、沙滤、吸附等物理化学方法综合处置。 电化学方法可处置的废气： 1。二氧化碳处置与再生碳资源；近年来努力于CO2的电化学复原为有用物质的研讨，这样既可维护生态环境，又能回收碳资源。 CO2的电化学复原可得到甲酸和甲醇，也可以得到草酸，还可以将其电解化合固定到其他有机物中。如CO2存在下电解1，4苯醌得到2，5二氢苯甲酸。也有对CO2 复原进展光电化学和光催化的研讨。 2。硫和氮的氧化物的处置与利用：通常是将这些气体转移到水溶液中进展电化学处置，变成有用的物质。如SO2电复原可得到连二亚硫酸盐，是造纸和纺织工业的所需重要化学品。 对气体污染物的处置多数

13、是将其吸收到溶液中进展电解处置，可分为内电解池和外电解池两种方法。电化学处置污染物的方法简介电化学处置污染物的方法简介电解处置污染物方法：1.不溶性阳极电氧化法分解氰、酚、染料等杂质或生成阳极中间体间接分解毒物或杀菌；2.阴极复原法除去重金属； 3.铁阳极电复原法生成氢氧化铁凝聚剂除去水中氧化物和胶体物质，如含铬和蛋白质及染料的污水； 4.铝阳极电凝聚法除去胶体物质； 5.电浮离法用阳极和阴极产生的氧气和氢气浮上分别污水中的杂质； 6.隔膜电解法回收和净化浓废液中的离子和低分子杂质；7.电渗析法用离子交换膜的选择性透过特性分别、浓缩和净化水中离子和低分子杂质。环境电分析技术简介1 环境电分析技

14、术从运用的电化学技术大体可分为:电位法、安培库仑法、伏安法、电导法等；从所用器件分有离子选择性电极法、化学修饰电极法、生物电化学传感器法等。 离子选择性电极电势法：对溶液中某种离子具有选择性反响，电极电位符合能斯特呼应的一类电极。用以检测污水中、或可溶于溶液中的各种离子型污染物。其中气敏电极可以直接用于检测大气中的污染物。离子选择性电极法已广泛用于环境监测。例如水硬度、酸度、氟、氰、铵和氨、重金属、氮氧化物、硫化物、一氧化碳、二氧化碳等污染组分的检测。 溶出伏安法：将待测离子首先电积富集到电极上再溶出，获得极高的灵敏度，检出限可到达19-910-10 mol.L-1。目前用的最多的是直流快扫溶

15、出法和微分脉冲溶出法。后者可到达10-12 mol.L-1，分辨率也很高。此外，目前已出现了悬汞溶出、吸附溶出、修饰电极溶出、微电极溶出等多种更灵敏的方法。溶出法的灵敏度高、抗干扰强、高分辨、高精度、仪器简单廉价，因此广泛运用于环境监测、卫生防疫、临床医学、生物学、食品、冶金地质等领域。水质分析、大气监测、毒物分析、生物活体的现场检测、污染物的自然循环过程的监测。环境电分析技术简介2 化学修饰电极法：目前化学修饰电极的研讨已到达能借助外表合成的方法胜利制造预设计的电极/溶液界面区，在电极外表控制分子构造的才干，展现了一个创新的宽广研讨领域。它在能量转换、信息储存和显示、电化学分析以及生物传感器

16、等方面翻开了新局面。化学修饰电极在环境科学中的运用也日益广泛。各种各样的化学修饰电极与各种新兴电化学技术相结合，开辟了环境治理和环境监测的最新技术领域。化学修饰的膜化学、电催化、电分析、电渗析技术等，被用于环境污染治理和环境污染物的检测。 例如：三辛基氧化磷修饰的玻碳电极，插入含UO22+和噻吩甲酰三氟丙酮的HAc-NaAc溶液中，在电极外表构成铀的三元络合物，检测铀的灵敏度可到达110-10mol.L-1.。 又如：8-羟基喹啉修饰的玻碳电极，由于某些金属离子如Tl+与电极外表的8-羟基喹啉构成外表络合物，加强了测定金属离子的灵敏度，可测定水中的Tl+到达110-10mol.L-1.。 有些

17、有机污染物难以直接进展电化学检测，修饰电极可以修饰上对有机污染物有催化作用的修饰物，用以测定这些有机污染物。生物电化学与生命电化学 今日的生物电化学已涉及各种生物学问题：如新陈代谢、光协作用、膜景象、信息传送、基因摄取和细胞交融、致病和医疗机理。 1脑波、心电、筋电是熟知的生物电景象 2细胞膜电位和刺激传送 3有关核酸的电化学-研讨碱基腺嘌呤电复原过程讨论生理机能 4金属蛋白质的电极反响-血红素蛋白质的氧化复原机理 5医学与医疗中的电化学-人体内的微量元素、毒物对人体生理机能的影响、DNA和肽链的构造分析 6食品与营养学中的电化学-食品中微量元素的分析，生物碱分析生物电化学传感器 生物电化学传

18、感器简介 电化学传感器是将非电参数变为电参数的安装。按检测方法可分为：电位传感器、安培/库仑传感器、伏安传感器和电导传感器。 生物电化学传感器是固定化的生物资料与适当的信号转换器亲密结合而构成的分析器件成为生物传感器，假设将生物信号直接转换成电信号的传感器就是生物电化学传感器。 生物电化学传感器包括：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器等。 制造方法普通有：包埋法、交连法、载体结合法等 电化学诊断治疗器件简介 生物燃料电池-心脏起博器1mw，人工心脏驱动电源5mw；可用体内活性物质直接发电，如生理体液自动燃料电池生成葡萄糖酸的体内燃料电池；生成二氧化碳和水的体内燃料电池 生物分子识别

19、的传感器-离子选择场效应晶体管传感器；DNA识别传感器 电刺激传导治疗仪-微电极植入脉冲治疗器，电磁治疗仪， 人工心脏和人工肾脏系统-人工心脏起博器，人工肾脏电渗析系统 体内诊断器件-复合微电极系统我们的研讨任务简介之一 近年来，我们的主要研讨方向是生物电化学和环境电化学。在这些领域我们的任务还仅仅是起步。由于条件和才干所限，任务还很浅薄，这里仅简单引见一些初步的探求。 一。超微电极及其在生物电化学方面的研讨 1铅笔芯修饰聚苯胺制造微型复合pH-电极的性能 分析测试学报，00 2碳基针空组合微电极的性能测试与实际研讨物理化学学报，02 3碳纤维组合超微电极的性能测试与实际讨论分析化学，已录用，待发表 4