王坚电化学专题课件

王坚教授电化学专题课欢迎参加王坚教授的电化学专题课程。本课程将深入探讨电化学的基本原理、应用和未来发展趋势。课程大纲1基础理论电化学基本原理、反应动力学、热力学2电池技术电池工作原理、分类、锂离子电池、金属-空气电池3燃料电池各类燃料电池概述及原理4应用领域能源、环境、生物医疗等领域的电化学应用电化学基本原理氧化还原反应电子转移过程是电化学反应的核心电极与电解质电极提供电子传输，电解质提供离子传输电化学势驱动电化学反应的热力学因素法拉第定律电化学反应中电量与物质量的关系电化学反应动力学反应速率电化学反应速率与电流密度、浓度、温度等因素的关系活化能反应进行所需的最小能量过电位实际电极电位与平衡电位的差值塔菲尔方程描述过电位与电流密度的关系电极反应动力学电极界面过程包括电荷转移、物质传输和吸附/脱附过程速率控制步骤决定整个电极反应速率的最慢步骤Butler-Volmer方程描述电极反应速率与过电位的关系电化学反应热力学1吉布斯自由能2电化学势3尼恩斯特方程4标准电极电位电化学反应热力学研究反应的spontaneity和平衡条件。电极电位的测量电位计法使用高阻抗电压表测量电极电位参比电极提供稳定的参考电位恒电位仪精确控制和测量电极电位电极极化曲线阳极极化曲线描述氧化反应的电流-电位关系阴极极化曲线描述还原反应的电流-电位关系塔菲尔区域电流与过电位呈对数关系的区域极限扩散电流由物质传输限制的最大电流电化学反应过程1物质传输反应物从溶液体相到电极表面的迁移2电荷转移电子在电极和反应物之间的转移3表面反应电极表面的化学反应或相变4产物扩散反应产物从电极表面扩散到溶液中电池工作原理阳极氧化阳极释放电子，发生氧化反应电子流动电子通过外电路从阳极流向阴极阴极还原阴极接受电子，发生还原反应离子迁移电解质中的离子在电极间迁移，保持电荷平衡电池分类和特性一次电池不可充电，使用后报废二次电池可多次充放电使用燃料电池连续供应燃料，可持续发电电池电极反应过程阳极反应活性物质失去电子，被氧化例：锌电极：Zn→Zn²⁺+2e⁻阴极反应活性物质得到电子，被还原例：铜电极：Cu²⁺+2e⁻→Cu可充电电池:锂离子电池1工作原理基于锂离子在正负极间的嵌入和脱出2正极材料常用LiCoO₂、LiFePO₄等3负极材料主要为石墨，新型材料如硅基负极4电解质有机溶剂中的锂盐，如LiPF₆金属-空气电池高能量密度理论能量密度远超锂离子电池环境友好使用空气中的氧气作为活性物质成本优势阴极材料成本低，结构简单技术挑战可充电性能和循环寿命需要提高燃料电池概述1高效清洁2连续供能3多种燃料4广泛应用燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、低排放等优点。固体电解质燃料电池特点高温工作（600-1000℃）高效率（可达60%）燃料适应性强应用分布式发电大型发电站热电联供系统质子交换膜燃料电池低温运行工作温度通常在80℃左右快速启动适合交通工具应用高功率密度体积小，输出功率大溶融碳酸盐燃料电池高温运行工作温度在600-700℃内部重整可直接使用天然气等碳氢燃料高效率电效率可达60%，热电联供效率更高长寿命连续运行时间可达40,000小时以上固体氧化物燃料电池1高温运行800-1000℃2全固态结构无液体电解质3燃料灵活性可使用多种燃料4高效率电效率可达60%以上电化学传感器气体传感器检测有毒气体、氧气等生物传感器检测葡萄糖、蛋白质等生物分子离子选择性电极测量特定离子浓度电化学腐蚀与防护腐蚀机理电化学氧化还原反应阳极溶解，阴极还原防护方法阴极保护阳极保护涂层保护电化学技术在能源领域的应用电化学储能大规模电网储能，平衡可再生能源输出电解制氢利用可再生能源电解水制氢二氧化碳还原电化学转化CO₂为有用化学品电动汽车电池和燃料电池驱动的清洁交通工具电化学技术在环境领域的应用水处理电解除氟、电凝聚去除污染物空气净化电化学去除VOCs和颗粒物土壤修复电动力学去除重金属污染电化学分析技术1伏安法测量电流-电压关系，分析物质浓度和反应机理2电位法测量电位变化，确定反应终点或物质浓度3电导法测量溶液电导率，分析离子浓度和移动性4电化学阻抗谱研究电极界面过程和材料性质电化学在生物医疗领域的应用生物传感器快速检测血糖、病毒、细菌等药物释放系统电化学控制的智能药物输送神经刺激治疗帕金森病、慢性疼痛等生物燃料电池利用体内葡萄糖发电，为植入设备供能未来电化学技术发展趋势新能源材料开发高性能电池材料和催化剂智能电化学系统结合人工智能优化电化学过程纳米电化学研究纳米尺度电化学现象和应用绿色电化学发展环境友好的电化学工艺和产品电化学技术的重要性和前景30%能源效率提升电化学技术可显著提高能源转换和利用效率40%减少碳排放电化学技术在清洁能源和环境保护中发挥关键作用2X市场规模增长预计未来10年内电化学相关产业市场规模将翻倍课程总结与展望1基础理论2关键技术3应用领域