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1、(完整word版)电化学的应用概述电化学作为化学的分支之一，是研究两类导体（电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液）形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学。电化学是边缘学科，是多领域的跨学科。对“电化学”，古老的定义认为它是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。以后Bockris下了定义，认为是“研究带电界面上所发生现象的科学1”。 当代电化学领域已经比Bockris定义的范围又拓宽了许多。实际上还有学者认为电化学领域更宽。如日本的学者小泽昭弥则认为，电化学涵盖了电子（以电子 的得失为主）、离子和量子的流动现象的所有领域，它横跨了理学和工学两大方面，从而可将光
2、化学、磁学、电子学等收入版图之中。若从宏观和微观两个角度来理 解的话，可以认为,宏观电化学是研究电子、离子和量子的流动现象的科学。微观电化学还可以有广义的和狭义之分，广义的微观电化学是“研究物质的带电界面上 所发生现象的科学”，而狭义的微观电化学则是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。20世纪后的发展20 世纪后五十年 ,在电化学的发展史上出现了两个里程碑 :Heyrovsky 因创立极谱技术而 获得 1959 年的诺贝尔化学奖 ,Marcus 因电子传递理论(包括匀相和异相体系的电子传递) 而 获得 1992 年的诺贝尔化学奖. Marcus 工作的开拓性部分是在 50 年代后
3、期创立的. 这一时期 , 电化学在理论、实验和应用领域均有长足的、关键的发展 ,并且主要集中在界面电化学(包括界 面结构、界面电子传递和表面电化学) . 20 世纪后五十年 ,继 20 年代极谱技术创立之后 ,电化学系统地发展了现在称之为传统电 化学研究方法的稳态和暂态技术 ,尤其是后者 ,为研究电界面结构和快速的界面传荷反应打下 基础. 但是 ,因为缺乏分子水平和原子水平的微观实验事实 ,电化学理论仍旧停留在宏观、唯象 和经典统计处理的水平上. 70 年代兴起的电化学现场(in situ)表面光谱技术(例如紫外可见反 射光谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二次谱波、合频光谱等技术) 、电化学现场波
4、谱技术 ,以及非 现场(ex situ)的表面和界面表征技术 ,尤其是许多高真空谱学技术 ,使界面电化学的分子水平 研究成为可能. 80 年代出现的以扫描隧道显微镜(STM) 为代表的扫描微探针技术 ,迅速被发 展为电化学现场和非现场显微技术 ,尤其是电化学现场 STM 和 AFM(原子力显微镜) ,为界面 电化学的研究提供了宝贵的原子水平实验事实. 总之 ,20 世纪后五十年 ,由于上述各种实验技 术的发展 ,促进了电化学中分子和原子水平的研究 ,为这一时期电化学理论和应用一些突破性 进展奠定了基础.1 电化学的应用 电化学在工业上起着相当重要作用，包括电解、金属加工与 处理 、电池和燃料电
5、池 、水和废水处理等方面的应用。在可以选 择生产方法的条件下 ，电的价格和它应用的便利性影响着电化 学在工业上的应用。出于这种原因，大规模 、高能量电解过程， 如金属 的冶炼只能在低成 本电力地区发展起来 。这种 考虑要 比 考虑运输矿石的造价更重要 ，因为传送电能的过程中要有大量 的能量损失。 目前已经发 现的超导 材料 的临界温度 已经远高 于 液氮沸点温度，常温超导材料的研究将可能在未来的几十年里， 使这种无能量损失的超导电缆传输成为现实，这对电化学工业 的发展无疑是非常有益的。11 电解和电合成工业 氯碱工业 这是世界上最大的电化学工业，它是通过电 解食盐水，从而获得氯气和苛性钠的过程
6、。氯气用于制备氯乙 烯，进而合成得到 PVC，还可用作纸浆及纸的漂白剂和杀菌剂。12 电化学水处理及废水处理。 该法不需要很 多化学药 品 ，后处 理简单 ，占地 面积小 ，管理 方便。用于水及废水处理的电解池设计的有利因素是 电极表面 积阴极电解液体积之 比高。常见的方法有 以下几种：电解回 收电化学方法可将溶液中的金属离子逐步除去 ，因此常常 可以使一些可以重新利用的金属再生出来。电化学氧化，这是 一 种较成熟的水处理技术 ，并日益成为水处理的热点，研究范围 涉及处理印染水、制药废水、制革废水和造纸黑液等。 微电解法是近年来出现的一种较新的废水处理方法。其工 作原理是在含有酸性 电解质 的
7、水溶 液 中，使铁屑 和碳粒 之 间形 成无数个微小的原电池 ，并在其作用空间构成一个电场，利用反 应生成的亚铁离子具有较强的还原能力，使某些氧化态的有机 物还原成还原态，并使部分有机物开环裂解 ，提高了废水的可生 化性，同时亚铁离子具有良好的絮凝作用，新生态的氢也有较强 的还原能力，对氧化态有机物有还原作用。因此其 COD、BOD去 除效果好，适应性广。此外，还有电解气浮法和电渗析法。1. 3金属腐蚀控制的电化学方法 (1) 形成电镀层，即用直流电源，以电解 的方式在金属表面 上沉积一层金属或合金镀层的方法。(2) 牺牲阳极保护(3) )阳极保护。就是通过外加电流使被保护的金属进行 阳 极极
8、化，从而使其腐蚀程度降到最低的一种电化学保护方法1. 4 化学电源燃料电池是现在最引人注 目的能源装置之一。燃料电池的 原理非常简单 ，它通过化学反应产生电源和热能。燃料电池首 先应用于20世纪中叶兴起的宇宙开发。因燃料电池具有轻便、 简洁和能量转换效率高的特点而被用作宇宙飞船的电源。 燃料电池是最高效的，低或零污染排放 ，安全并且操作方便 的发电装置。依据燃料电池中所用的电解质类型来分类 ，可分 为：磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电 池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。 磷酸型燃料电池已经商品化。是实用化最早，并且使用较多 的燃料电池。但该电池为了提高低温反应速率，必须
9、使用铂作催 化剂，铂的使用，导致了燃料电池成本的上升，所以，在不降低燃料 电池性能的前提下，少用或不用铂的技术是目前研究的热点。 碱性燃料电池是燃料电池中研究较早的一种，它的最大优 点是：用于可在较低温度下工作，电池本体材料可选用廉价的耐 碱性工程 塑料 ，成 型 加 工 工 艺 简 单 ；电极 可 采 用廉 价 的 碳 载 RaneyNi和 鲰 催化剂 ，输 出效 率较 高 。但 由于 必须使 用不 含杂 质的纯氢和纯氧，为维持一定的电解液浓度，还必须设置较复杂 的排水和排热等辅助系统。是碱性燃料电池的应用受到限制。质子交换膜燃料电池，又称 固体聚合物燃料电池。其优点 是能量密度高、无腐蚀性
10、、电池堆设计简单、系统坚固耐用、工作 温度较低 ，25 120。目前质子交换膜燃料电池是研究的热 点 ，它作 为电动汽车动力 电源 的研究 已经取得 突破性 进展 ，被认 为是最有应用潜力的高效、洁净的能源。氢氧燃料电池以氢为燃料，通过氢和氧分反应产生电能供给动力系统，尾气只有水蒸 汽。它不会给环境带来任何污染，堪称“零污染”的理想环保车。电化学是一门古老而又年轻的学科。电化学科学的发展和 成就举世瞩 目，无论是基础研究还是技术应用，从理论到方法， 都有许多重大突破。电化学科学的发展，推动了世界科学的进 步，促进 了社会经济的发展，对解决人类社会面临的能源、交通 、 材料 、环保、信息、生命等方面，已经作 出并正在作出巨大的贡 献。电化学的未来是灿烂而神奇 的。电化学 的发展 和突破是难 以估量的。
