第2章_电催化过程资料

1、第二章电催化过程主要内容o电催化原理VJ氢电极的电催化匸丿氧电极的电催化h4丢胆瞳翻2.1电催化原理电催化：在电场的作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物（电活性的、非电活性的）能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修饰物本身不发生变化的化学作用。电催化的本质：通过改变电极表面修饰物（或表面状态）或溶液中的修饰物来大范围地改变反应的电势或反应速率，使电极具有电子传递功能外，还能对电化学反应进行某种促进和选择。2.1.1电催化的类型及一般性原理（氧化一还原电催化（媒介体电催化）非氧化一还原电催化（外壳层催化）A.氧化还原电催化在催化过程中，固定在电极表面或存在于电解液中

2、的催化剂本身发生了氧化一还原反应，成为底物的电荷传递的媒介体，促进底物的电子传递。氧化一还原电催化过程示意图优良的电子传递媒介体应具有:(1)一般能稳定吸附或滞留在电极表面；氧化一还原的式电位与被催化反应发生的式电位相近，而且氧化一还原电势与溶液的pH值无关；呈现可逆电极反应的动力学特征，氧化态和还原态均能稳定存在；可与被催化的物质之间发生快速的电子传递；_般要求对02惰性或非反应活性。电极反应催化作用的实现：通过附着在电极表面的修饰物（典型的多相催化）和溶解在电解液中的氧化一还原物种（均相的电催化）而发生。媒介体作用下的电催化，大多数是通过在电极表面修饰上一层（多层）媒介体，这种修饰电极用于

3、电化学分析能降低催化反应的超电势，加快反应速率，提高分析灵敏度，拓宽线形分析的范围，可有目的地选择催化剂进行有选择的电催化，提高了分析的选择性。7CHO+4H2Br-2e+OH_一HOBr+BrCHYH?+HOBr一-CH3CHOHCH.Br一CH.CHCH/OM2.1修饰于电极表面的欽化还原媒介体催化实例媒介体种类电极被催化物质联苯胺裂解石墨抗坏血酸3,4二凫基莱胺裂解石理.%(3.4-DHBA)玻碳（GC）五氯钱酸盐GC亚铁魚化物Pt二茂铁裂解石墨丁子香粉裂解石墨四（对氨基苯基）裂解石鹿.六魚乙烷铁吓咻Fi：（m）Fc（X二苯甲基漠四（对氨武苯基GC.PtPhCRH0.8在电极表面上媒介体

4、的异相电催化比氧化一还原均相催化具有的优点：催化反应发生在氧化一还原媒介体的式电位附近，通常涉及简单电子转移反应；通过比均相催化中用量少得多的催化剂，可在反应层内提供高浓度的催化剂；从理论上预测，对反应速度的提高要远超过均相催化剂；不需要分离产物和催化剂。B.非氧化还原催化固定在电极表面的催化剂本身在催化过程中并不发生氧化一势沉积吸附的原子和金属氧化物。还原反应，当发生的总电化学反应中包括旧键的断裂和新键的形成时，发生在电子转移步骤的前后或其中，而产生了某种化学加成物或某些其他的电活性中间体，总的活化能降低。包括:欠电2.1.2影响电催化性能的因素A.电催化剂必须具备的性能催化剂有一定的电子导

5、电性：至少与导电材料充分混合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子通道，即电极材料的电阻不太大。高的催化活性：实现催化反应，抑制有害的副反应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地中毒失活。催化剂的电化学稳定性：在实现催化反应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而“过早地”失去催化活性。B.电催化活性的主要影响因素催化剂的结构和组成催化剂能改变电极反应的速率，由于催化剂和反应物之间存在的某种相互作用改变了反应进行的途径，降低了反应的超电势和活化能。催化反应发生在催化电极/电解液的界面，即反应物分子必须与催化电极发生相互作用，相互作用的强弱主要决定于催化剂的结构和组成。过渡金属及其一些化

6、合物是最可能的电催化剂，其活性依赖于电催化剂的电子因素（即d%的特征）和吸附位置的类型（几何因素）。催化剂的氧化一还原电势催化剂的活性与其氧化一还原电势密切相关。对于媒介体催化，催化反应是在媒介体氧化一还原电势附近发生的。_般媒介体与电极的异相电子传递彳艮决，则媒介体与反应物的反应会在媒介体氧化一还原对的表面式电位下发生，这类催化反应通常只涉及单电子转移反应。16催化剂的载体对电催化活性有很大影响电催化剂的载体包括：基底电极（贵金属电极.碳电极八将电催化剂固定在电极表面的载体。载体的作用：a. 仅作为一种惰性支撑物，催化剂负载条件不同只引起活性组分分散度的变化；b. 与活性组分存在某种相互作用

7、，修饰了催化剂的电子状态，可能会显著地改变电催化剂的活性和选择性；电催化剂的表面微观结构和状态.溶液中的化学环境等。2.1.3评价电催化性能的方法A.循环伏安法催化剂能对电极反应起催化作用，体现在循环伏安图上就是氧化峰电位负移WiomaNA加+N諮仏0J)0.10005+NBH(超电势降低)，或峰电位基本不变但氧化峰电流显著增加。Nile蓝彳参饰的玻碳(GC)电极催化NADH氧化的循环伏安图B旋转圆盘（环盘）电极伏安法扩散动力学规律:圆盘中心是对流冲击点，边缘处血越大，离圆盘中心越远，则扩散层厚度越厚。离圆盘中心越远，溶液切向对流速度“0越大，则离圆盘中心越远，则扩散层厚度越薄。16FmV(v

8、H.SCE)Nafion膜固定的微过氧化物酶修饰的旋转圆盘电极在空气饱和的混合磷酸盐缓冲溶液(pH=686)中的电流电势曲线(扫描速率为5mV/s)MP-11修饰旋转圆盘电极上分子氧催化还原lim一（Gj）的关系实验曲线与计算曲线存在一定的偏离，随着转速增加逐渐地向下弯曲，表明受电极表面电化学反应速率的控制过程。Koutecky-Levich方程：him=L+keviev=0.62zFAClDv-ik=zFATkCO2认测量得到的极限电流；LLevich电流；电极旋转的角速度；ik动力学电流；Do子氧在溶液中的扩散系数；V动力学黏度；CV氧气在溶液中的浓度；电极表面起催化活性的催化剂的量；k子

9、氧还原反应的表观速率常数。C计时电位法评价催化剂活性和稳定性的一种重要方法O甲醇在修饰电极上恒电流氧化得到的计时电位曲线D稳态极化曲线的测定通过施加一定的电势（或电流）于催化电极上，然后观察（测）电流（或电势）随时间的变化，直到电流（或电势）不随时间而变化或随时间的变化邢I小时，记录下电势一电流的关系曲线。r/=a+blgi77=2.303RTazFlg2.303RTazFlg，2.303RT1.7lgb2.303RTazFazFPt-TiO2/C催化剂在Imol/LCH3OH+2.5moVLH2SO4溶液中在60C时的稳态极化曲线ETEK电极：当i200mA*cm2时，耳随i显著增大；Pt-

10、TiO2/C电极：当i400mA-cm2时极化超电势才显著增加；表明Pt-TiO?/C催化剂优于E-TEK。o电催化原理25氢电极的电催化4氧电极的电催化有机小分子电催化氧化掌握巧在阴极析出的基本步骤；利用Tafel公式区分电极材料对H2的催化活性;了解H2氧化反应的电催化步骤。重点：电还原析出过程；氏的析出与M-H键强度分析；比在金属氧化物电极上析出机理H2的阳极氧化分析2.2氢电极的电催化2.2.1氢离子在阴极上的还原A. 在酸性溶液中阴极：2H+2eH2阳极：H22H+2eB. 在碱性溶液中阴极：2H2O+2e一H2+2OH阳极：H2+2OH2H2O+2e26氢离子在阴极上的还原过程:A

11、.液相传质步骤巧0+（溶液本体）一巧0+（电极表面附近液层）B. 电化学反应步骤H3O+MH+H2O（酸性）H2O+e+MMH+OH（碱性）C. 随后转化步骤a. MH+MHH2（复合脱附）b. MH+H3O+eH2+H2O（酸性）c. MH+H2O+eH2+M+OH（碱性）D. 新相生成步骤nHH2TTafel公式：rj=a+blgi室温下，加0.116V,大多数洁净金属表面具有比较接近的值。电流密度i每增加10倍，超电势增加约0.116V。伉与电极材料、电极表面状态、溶液组成、实验温度有关。28酸性溶被滅性溶液30Ti等轻金属的阳极氧化处理工艺过程中，在各种金属的水溶液电镀工艺过程中，阳极

12、氧析出往往是主要反应C. 氢氧类燃料电池中总是氧作为正极的活性物质，在这些电池的正极上总是发生氧的还原反应D、金属腐蚀过程中经常遇到氧电极过程，如吸氧腐蚀E生物细胞体内也发生氧还原过程，对生物能量转换起重要作用2.3.2研究氧电极过程的问题A在酸性溶液中：O2+4H+4e2H2O在碱性溶液中：。2+2H2O+4e一4OH-B. 氧电极反应的可逆性很小。氧电极过程总是伴随很高的过电位，几乎无法在热力学平衡位置附近研究氧电极。C. 由于伴随高过电位，因此形成电位较正的区域，该区域容易生成成相的氧化物层。D. 氧的电极过程中，特别是在酸性介质中，氧的阳极析出反应需要比平衡电位更正，达到这个点位之前，

13、许多金属都会变得热力学不稳定了。2.3.3氧的析出过程不同电解质溶液中，析出反应及其过程是不同的:在酸性溶液中：2H2OO2+4H+4e在碱性溶液中：4OH一O2+2H2O+4e例如在含氧酸的浓溶液，较高电流密度下：硫酸溶液中2SO42一2SO3+O2+4e2SO3+2H2O2SO42+4H+净反应:2H2OO2+4H+4e422.3.4氧电极阳极过程的可能机理在碱性溶液中析氧的某些可能历程IL20H_-20H+2c2. 20H+20H=2O+2H2O32(T=2O+2e4*2QwQIIL4OH+M=4MOH+4e2. 4MOH=2MO+2M+2HjO3. 2MO2M+OjL20H*=20HI

14、220H+2OET拦2(F+2HQ320+2MOx=2MO1+2c42MQ*L2MCh+QH1,N1. 20H=2OH+2e2. 20H+2OH-PHjQr3. 2H2O2=Qx+204. Qj1=Oj+2e43碱性溶液中，各金属上的氧过电位顺序为：Co,Fe,Ni,Cd,Pb,Pd,Au,Pt金濬液组成9/(A/cm2)6/2.302aPt0.00250.25mol/UHfiSQ,2S0.95Pt0.05mo/LH2SOu3510r-*10_a1.08Pi01mol/l.NttOH25Au0.05-0.5mol/LHsSC253X1OS-1O20.99Au0.1tnol/LNaOH25Pb1

15、、9mol/LH2SO43010.72Pt*pg(启)2.2nxJ/EHsS31.87x10s2xKj7K17Ni7.Smo!/LKOH255X10-410s35Ni7.Smol/LKOH25IO-5SX1O21.30Ni7SKOH255X1OZ3X10-1IJ08FepH=2S3x106104.66决速步历程判断:令：2.303RT/F二方o,贝必可能的值有炀,W,%,3/2盯,2沪，3丽若OH例子放电为决速步，传递系数为05,贝=26若IV-2为决速步，贝Qb二若III-2为决速步，贝M二炀。若III-3为决速步，贝二盯452.3.5氧的阴极还原的基本历程A.中间产物为H2O2或HOJ在酸

16、性及中性溶液中:(1) O2+2H+2eH2O2(2) H2O+2H+2eH2O或H2O2一力C2+H2O在碱性溶液中:(1) O2+H2O+2eHOf+(2) HO2-+H2O+2e3OH或HO2_力O2+OH-OH-46中间产物为吸附氧或表面氧化物47吸附氧为中间产物：(1) o2一2MO吸(2) MO吸+2H+2eH2O或MO吸+H2O+2e一2OH(碱性溶液)表面氧为中间产物:(1)力+H2O+MM(OH)2(2)M(OH)2+2e一M+2OH区别方法：有无中间产物，有中间产物电02则属于第一类。2还原的机理（可能有两种途径）C)2+4/+42/2O=122W（酸性溶液）（碱性溶液）直

17、接四电子反应途径:O2+200+4OHqf=0.40W二电子反应途径酸性溶液中:O2+2H+2H2O2.cp=0.67VH2O2+2H+22H2O,(pe=1.77V或发生歧化反应:2H2O2t2H2O+O2（催化分解）碱性溶液中:O+O+2幺一HO+OHcpe=-0.0651/HO；+H2O+2e3OH=0.8671/或发生歧化反应:2HO；T2OH-+O248。2还原电催化研究的主要目的:避免经历二电子途径，产生氏）2必须在尽可能高的电势1.229V下进行工作如果让。2只是还原成比。?，其电极电势只有还原为比0的一半，同时只有2电子参加反应，只能产生一半的电流；如果用逐步还原的方法，第一步

18、先还原为日2。2,接着再还原为HqO也是不可行的（在该电势下过氧化物中间体的平衡浓度很低，为1018mol-L-1，进一步还原的电流很低，无实用价值）；如果通过比。?歧化为。2和比0,要求该步反应速率非常高，不现实。设计燃料电池时要避免:o2極原山2。2再还原山2。分子在电极相表面存在的吸附方式有：侧基式.端基式、桥式,端基式和桥式有利于。2的催化还原。有效吸附于电极表面的（J?得到活化，进一步发生电化学还原。侧基式吸附模型侑利于4电子途径）0H/MzMz+2H2Ox2H亠20H。2的兀电子轨道与催化剂活性中心金属d/轨道侧向配位金属活性中心充满的dxz或dyz电子反馈到。2的兀申轨道催化剂和

19、。2之间较强的相互作用能减弱60键，甚至引起分子在催化剂表面的解离，吸附于表面的。2发生还原并使催化剂活性中心再生。端基式吸附模型侑利于2电子途径）M20*OMz+200M十2H2OO2的沪轨道与过渡金属活性中心的dz?轨道端向配位，。2只有一个原子受到活化，大多数电极上是这种模型，伴有部分电荷迁移，相继生成过氧化物.超氧化物。过氧化物吸附态可以在溶液中形成OOH自由基，也可得到电0。桥式吸附模型MzOC*/一MzOH4eMzMZ-OH2FTMz+2H2O要求催化剂活性中心之间位置合适，拥有能与。2分子兀轨道成键的部分充满轨道，。2分子通过OO桥与两个活性中心作用，促使两个氧原子均被活化，有利

20、于实现4电子还原途径。贵金属电极上氧的电催化还原6在酸性介质中，。2还原反应有比较高的超电势，研究较多的阴极电催化剂有贵金属和过渡金属配合物催化剂，适合作为。2还原催化剂的贵金属有：PtPdRuRhOsAgIrAu等。对。2的还原反应，Pt.Pd的电催化活性最好。原因：电催化剂的催化活性与电催化剂吸附氧的能力之间存在“火山型效应”，适中的化学吸附能对应的电催化活性最高。Rh.Ii对O2的吸附能力过强，Au对。2的吸附能力彳艮弱。Pt.Pd的吸附能力居中。(3)非金属上氧的电催化还原Zn空气电池：。2本身不能组成电极，需通过载体碳材料做成的电极进行反应，在载体碳材料上还原，即溶解在溶液的分子扩散

21、到电极表面，并发生吸附，然后进行电化学还原。的还原主要通过氧化物途径进行，不同石墨材料对。2还原反应的电催化活性与电极表面状态有关过渡金属大环配合物对。2还原的电催化单核駄菁配合物过渡金属的活性:FeCoMnNiCuCoTPPFeTPPNiTPPCuTPPOXiX3N駄菁7苯基吓咻四苯基吓咻合钻/HgJINCoN/Z|XH”|飞N!N（5）过渡金属氧化物对。2还原的电催化。2在催化电极上的电化学还原,首先。2从溶液中扩散到电极表面，发生解离，在氧化物电极上水分子可能优先占据电极表面的活性位,导致。2的解离一吸附相对困难，影响了。2还原反应的动力学。2.3.6制备电极和MEA的基本工序制备Pt/

22、C催化剂：用化学还原.电化学还原法或物理方法（如溅射）将Pt粒子分布在细小的活性炭表面，热处理，制成Pt/C催化剂，Pt=1040%o形成催化剂薄层：将Pt/C催化剂与某些黏合剂.添加剂混合，以涂抹.浇铸.滚压等方法形成催化剂薄层预处理聚合物电解质膜,除去杂质。MEA的制备：把离子交换膜.催化剂薄层放在一起，热压一定时间。电极制备方法：涂膏法.浇铸法.滚压法.电化学催化技术.印刷技术.溅射沉积法o电催化原理氢电极的电催化4氧电极的电催化有机小分子电催化氧化2.4有机小分子电催化氧化有机小分子燃料电池阳极催化剂：高电导率，良好的稳定性,对反应物.反应中间体适宜的吸附。电催化过程分子活化的前提：反

23、应物.反应中间体的有效化学吸附化学吸附缩A吹附.被吸附物种双键中的兀键在电催化那剂表面形成两个单键。龊审叔祜被吸附分子先发生解离,再发生吸附,解禺及附：是反应物分子活化的主要途径。化学吸附键的强度:太高导致反应物不容易从催化剂表面移走，阻碍反应物的进一步吸附；太弱使总反应速率降低，只有适中才能发生最为有效的催化氧化反应。过渡金属（化合物）是最可能的电催化剂（含有空余的d轨道和未成对的d电子），其吸附活性依赖于电子因素（即d%的特征）.吸附位置（几何类型）。甲醇.甲醛.甲酸在过渡金属电极上氧化:经历解离吸附过程，生成一个或数个吸附氢原子，并导致一系列吸附的裁基物种的形成。甲醇氧化：吸附物种为（C

24、HxO）ad（x=0-3）甲醛.甲酸氧化:吸附物种为（COOHad,CHOad,COHad,COad)2.4.1有机小分子在单金属电催化剂上的氧化有机小分子氧化反应对电极结构十分敏感。只有少部分过渡金属在酸性介质中是稳定的，Pt似乎是最有效的电催化剂。酸性介质中CH3OH能在一系列金属催化剂上发生氧化，活化顺序为OsIr,RuPtRhPd;RhPd.Ii对甲酸的氧化有较高的催化活性；Pt.Au等对甲醛氧化有较好的电催化活性。2.4.2有机小分子在二元或多元金属电催化上的氧化二元或多元金属催化剂：合金催化剂.通过金属表面彳参饰以其他原子而形成的催化剂。绝大部分以Pt为主体。合金催化剂：通过共沉积

25、.浇注法制得，广泛用于有机小分子电催化氧化研究。如：酸性介质中甲醇氧化的二元合金催化剂有Pt+Ru、Pt+Sn、Pt+Rh、Pt+PdPt+Fe。合金电极上的Pt修饰，改变了Pt的表面电子状态和吸附性能，Pt表面位置的浓度相对降低，有利于降低催化剂的中毒。又可使甲醇氧化的超电势降低lOOmV。甲酸的电催化氧化：所用的合金催化剂有Pt+Ru、Pt+Rh.Pt+AgPt+Pd等，呈现高的催化活性的可能原因是双功能协同作用的结果。引入的合金化金属修饰了电极的电子特性和表面结构，封闭了毒化物种形成的位置，还能吸附有利于氧化反应发生的含氧物种。小分子在二元合金催化剂上的氧化机理假设:引入的第二种金属原子要么容易吸附含氧物种，增加解离吸附生成的中间体氧化的速率，要么通过封闭氧化过程中毒性物种吸附所需的活性位置来提高反应速率。引入的