应用电化学-1-1-基础知识课件

1、应用电化学Applied Electrochemistry教材：应用电化学杨辉，卢文庆编著， 科学出版社2013年春季学期参考书目电极过程动力学导论（第三版），查全性电化学方法：原理和应用（第二版），巴德等3.电化学原理（修订版）或（第三版），李荻4.电化学，吴辉煌主编，化学工业出版社5.电化学测量方法，贾铮等编著，化学工业出版社6.应用电化学，杨绮琴等编著，中山大学出版社7.应用电化学，祁鲁生等编著，华中理工大学出版社8.应用电化学，贾梦秋、杨文胜编著，高等教育出版社成绩组成平时成绩：30分（课堂表现、作业）期末考试：70分，闭卷绪论什么是电化学？ 电化学是研究化学能和电能之间相互转化以及相

2、关的 定律和规则的科学。 电能化学能电解池原电池0.1 基本概念电化学是研究离子导体的物理化学性质以及电子导体 （electrode, 金属、半导体）和离子导体（electrolyte, 电解质溶液、熔盐、固体电解质）之间的界面上所发生的各种伴有电现象的反应过程的科学。电化学经典电化学电解质溶液理论现代电化学电子/离子导体界面效应两类导体A.正、负离子作反向移动而导电B.导电过程中有化学反应发生C.温度升高，电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担 第二类导体 又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。*固体电解质，如 等，也属于离子导体，但它导电的机理比较复杂，导电能力不高，一般以讨论电解质

3、水溶液为主。正极、负极电势低的极称为负极，电子从负极流向正极。负极：电势高的极称为正极，电流从正极流向负极。正极：离子迁移方向：阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极原电池(galvanic cell)Cu2+2e- Cu(S)发生还原作用，是阴极。电流由Cu极流向Zn极，Cu极电势高，是正极。Cu电极：Zn(S)Zn2+2e-发生氧化作用，是阳极。电子由Zn极流向Cu极，Zn极电势低，是负极。Zn电极：电解池(electrolytic cell)与外电源正极相接，是正极。发生氧化反应，是阳极。Cu(S) Cu2+2e-电极：与外电源负极相接，是负极。发生还原反应，是阴极。Cu2+2e-Cu(S)电极：

4、法拉第定律的数学表达式 取电子的得失数为 z，通入的电量为 Q，则电极上发生反应的物质的量 n 为： 电极上发生反应的物质的质量 m 为：或法拉第常数F=NAe 法拉第常数在数值上等于1 mol元电荷的电量。已知元电荷电量为=6.0221023 mol-11.602210-19 C =96484.6 Cmol-196500 Cmol-1荷电粒子基本单元的选取例题： 通电于 溶液，电流强度 ， 析出 。已知 。求： 通入电量 ； 通电时间 ； 阳极上放出氧气的物质的量。荷电粒子基本单元的选取解法一取基本粒子荷单位电荷：即荷电粒子基本单元的选取解法二 t 同上取基本粒子荷3个基本电荷：即 Au，法

5、拉第定律的意义 是电化学上最早的定量的基本定律，揭示了通入的电量与析出物质之间的定量关系。 该定律在任何温度、任何压力下均可以使用。 该定律的使用没有什么限制条件。电流效率表示式（1）电流效率= 100%理论计算耗电量实际消耗电量表示式（2）电流效率= 100%电极上产物的实际量理论计算应得量0.2 电化学的发展简史1、1791年，Galvani(伽伐尼)从事青蛙生理功能的研究时，偶然构成了电化学回路，发现电堆起电现象。 2、1799年，Volta(伏打)将锌片与铜片叠起来，中间用浸有硫酸的毛呢隔开，构成电堆“伏打电堆”，世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源。3、1800年，英国的尼科尔森

6、和卡里斯尔采用伏特电池电解水。9、20世纪40年代，前苏联科学家弗卢姆金从化学动力学角度做了大量工作，后来英美科学家在这方面又做了若干奠基性工作，推动了电化学理论的发展，开始形成以研究电极反应速率及其影响因素为主要对象的电极过程动力学，并使之称为现在电化学的主体。10、20世纪后半期，电化学科学又有了迅速发展，出现了量子电化学、生物电化学等分支学科。11、我国在电化学方面做出重要贡献的科学家：中科院院士査全性、田昭武、田中群，中国工程院院士衣宝廉等。0.3 电化学反应的主要特点:1. 特殊的氧化还原反应（redos reaction）；2. 特殊的异相催化反应：电极电位不同，催化能力不同电极电

7、位改变，可以大幅影响催化能力电极电位连续可调，催化活性连续变化3. 氧化还原等当量进行，得失电子数相同；4.电极反应一般在常温常压下进行，反应所用氧化剂或还原剂为电子，环境污染少。手机、计算器、手提电脑、照相机、摄像机等的电池，汽车的蓄电池，燃料电池化学电源，利用电化学原理制备的电化学品 电身边的电化学 手表外壳、手机外壳、自行车钢圈、芯片电路电镀 铝、锌、铜（电线、家用锅，各种电器原件、飞 机壳体等）电解制备 铁生锈电化学过程。防腐电化学方法 NaOH，漂白剂次氯酸钠，双氧水，高锰酸钾，重铬 酸钾、二氧化锰，原子反应堆氢弹等用的重水电 化学合成 煤气（CO）报警器，交警检测司机喝酒量的检测

8、器，糖尿病人监测血液中葡萄糖含量的检测仪电 化学传感器 钢铁厂、纺织厂、化工厂、制药厂以及矿山 等排放废水中氰、砷的处理；生活污水，造纸 厂、印染厂、食品及酿酒厂废水中有机耗氧物的 处理，医院污水中病菌、病毒和寄生虫卵等致病 微生物的处理环境电化学 问题：神州六号，嫦娥登月飞船、舰船潜艇中用到哪些 电化学知识？ 脑电图、心电图等诊断技术；治疗尿毒症的人工肾 脏，电化学治癌，电化学控制药物释放电化学在医 学上的应用Nature 448, 600-603 (2 August 2007) Behavioural improvements with thalamic stimulation after

9、 severe traumatic brain injury38岁的男子在一次袭击中脑部受伤，6年来，他的肢体一直没有做出过任何有意义的动作,美国韦尔康奈尔医学院的尼古拉斯希夫博士领导的研究小组在该男子的脑中植入了数个电极，通过开、关电极来进行一种深度脑刺激治疗，经过6个月治疗，他已经可以用短促但能听得见的声音讲话。电化学在生物和医学中应用的突破装备德国212型潜艇的燃料电池（西门子公司） 特点： 研究的具体体系大为扩展 处理方法和理论模型开始深入到分子水平 实验技术迅速提高创新0.5 电化学的发展趋势0.5 电化学的发展趋势与纳米技术、信息、能源、环境、材料、生物、生命科学等相结合 。纳米电

10、化学量子电化学分析电化学有机电化学催化电化学熔盐电化学生物电化学.第1章 电化学理论基础1.1 电化学体系的基本单元1.2 电化学过程热力学1.3 非法拉第过程及电极/溶液界面的性能1.4 法拉第过程和影响电极反应速度的因素1.5 物质传递控制反应绪论1.6 电化学研究方法介绍1. 1 电化学体系的基本单元 电极(电子导体) 隔膜 电解质溶液（离子导体） 电解池的设计与安装工作（研究）电极(working electrode, WE) 液体电极 Hg电极 固体电极 惰性电极（Pt、Au、C）和氧化还原 电极（Cu、Pb、Mg等）电极材料的选择：背景电流小、电势窗口宽、导电性好、 稳定性高、重现

11、性好、表面活性及表面 吸附性能等。常用的液体Hg电极有：（1）滴汞电极（dropping mercury electrode ，DME）（2）静态滴汞电极（ static mercury drop electrode， SMDE）（3）悬汞电极（hanging mercury drop electrode ，HMDE)1.1.1 电极(electrode)金属电极 Pt、Au、Ag等。 导电性好、背景电流可以忽略、表面改性方便、制备简单；但表面不均一，真实面积不宜控制、易吸附污染物被污染（杂质影响敏感）、表面可能腐蚀或钝化。 固体电极 金属电极和炭电极浸入有机溶剂（如甲醇、丙酮等），除去有机吸

12、附物。机械抛光用金刚砂或氧化铝抛光膏，按粒度由粗到细打磨（常用粒度1m,0.3m,0.05m），清除表面的有机、无机吸附物，得到清洁、新鲜的金属表面，保证高的表面光洁度（均一）。电化学抛光反复将电极阳极化（产生氧气）和阴极化（产生氢气），氧化吸附的有机物，还原表面金属氧化物（除去氧化层，得到洁净金属表面）。电极表面预处理方法：炭电极：便宜、正电势方向的电势窗口大（氧化缓慢）、 可进行化学修饰来改变表面活性等。 热解石墨（pyrolytic graphite, PG) 高定向热解石墨（highly ordered PG, HOPG) 玻碳（glassy carbon, GC) 碳纤维（carbo

13、n fiber, CF) 碳纳米管（carbon nanotube, CNT) 石墨玻碳对（辅助）电极(counter electrode, CE) 作用传导电流 要求（1）良好的电子导体 （2）研究电势范围内是惰性 （3）面积大于工作电极 （4）形状与工作电极吻合 （5）放置在与工作电极对称的位置 常用镀Pt黑的Pt或Ni等，玻炭、石墨等参比电极(reference electrode, RE) 已知电势、接近于理想不极化的电极，基本无电流通过,用于测定研究电极的电势。对参比电极的要求：参比电极应具有良好的可逆性，电极电势符合Nernst方程参比电极应不易极化；参比电极应具有好的恢复性，参比

14、电极应具有良好的稳定性参比电极应具有良好的重现性； 常用参比电极标准氢电极：国际首选参比电极，但在实际测试中使用不方便（需要气体）。 甘汞电极： HgHg2Cl2(s)KCl(aq) Hg2Cl2+2e-2Hg+2Cl- 饱和KCl, Eo=0.242V -0.64V，无电流Eappl=-0.84V，有电流额外的0.2V包括两部分：过电势和溶液的电阻导致的电势降（iR，欧姆降）欧姆降足够小(1-2mV)可以采用二电极* 给定的电势只有一部分作用到电极上Eeq, Cd (about -0.64V vs. SCE)Eapp; (vs. SCE) = ECd(vs. SCE) - iRs2.三电极电解池 工作电极（WE） 参比电极（RE） 对或辅助电极(CE)Luggin capillary电解池设计注意事项：（1）电解池