第六章 析氢反应机理教程文件

2.在低电流密度下 测H 量时，必须考虑到由于改 变电极电势而引起的双电层充电电流。
3.极化曲线测量的速度和方向。考虑建立稳定 的表面状态所需时间与测量速度相对大小之 间的关系。
二、基本实验事实
在许多电极上氢的析出反应都伴随着较大的超 电势 。
1905年Tafel首先发现，许多金属上的氢析出超 电势均服从经验公式：
按照a值的大小，可将常用电极材料大致分为三类
1.高超电势金属(a≈1.0—1.5V)，主要有Pb，Cd，Hg，T1， Zn，Ga，Bi，Sn等；
2.中超电势金属(a≈0.5～0.7V)，其中最主要的是Fe，Co， Ni，Cu，W，Au等；
3.低超电势金属(a≈0.1—0.3V)，其中最重要的是Pt，Pd， Ru等铂族金属．
H2 .3 n RF lToi0g 2 .3 n RF lToIH g
2．复合脱附机理
如果复合脱附步骤为析氢电极反应的控制性步骤，设平
衡电位下
（0 覆盖度），有电流通过时
MH
，MH
MHM 0 H
如果H吸很少时，可以用 MH代替 aM。H 不通过电流时的电极电势可写成：
e
e0
RTlnaH
F
ablgI
此式称为Tafel公式．
经验常数a的物理意义
是当电流密度为lA·cm-2时超电势的数值． 它与电极材料、电极表面状态、溶液组成以及实验温度
有关。 氢超电势的大小基本上决定于a的值，因此a的值越小，
氢超电势也愈小，其可逆程度越好，电极材料对氢的催 化活性也愈高。 在用不同材料制成的电极上a的数值可以很不相同，表 示不同电极表面对氢析出过程有着很不相同的“催化能 力”．
属沉积反应和有机物还原反应中是一个竞争反 应，并且也是金属腐蚀中的反应之一。 氢气的氧化反应，受燃料电池研究的推动，对 其电催化过程的研究具有十分重要的意义。
一、氢电极过程的重要性
1. 标准氢电极的电极电位是公认的电极电位的基准,以它
为基准的电位系列称为氢标电位。在电化学研究和电化 学测试中应用极为普遍。 2. H电极反应，是一类去极化剂。 金属在溶液中发生电化学腐蚀的根本原因是溶液中含有 能使该种金属氧化的物质，即腐蚀的去极化剂。去极化 剂还原的阴极过程与金属氧化的阳极过程共同组成整个 腐蚀过程。 3. 研究这一过程所采用的研究方法，以及所获得的电极过 程的一般规律对其它过程均有指导作用。
H 测量的有关问题
实验数据分散，不同实验室数据不一，重现性差，电极表面状态的变 化与界面污染是造成这种现象的原因。
测量要注意的问题：
H
1. 溶液和电极的净化
⑴ 高纯净的药品； ⑵高纯净的水；
⑶ 高纯净的金属材料制成电极；
⑷ 全玻璃封闭式电池；
⑸ 研究溶液实验前要经过长时间预电解净化，通过高纯H2或惰性气体 以除去溶解在溶液中的O2.
物应是H原子，而不是H2.
析氢反应历程中可能出现的步骤
1．电化学步骤 H+(或H2O)+e-→MH
2．复合脱附步骤 MH+MH→H2，
3．电化学脱附步骤 H+(或H2O)+MH十e
[A] [B] H2 [C]
氢析出过程的反应机理 可以有下面四种基本方案：
电化学步骤 (快)+复合脱附 (慢) 电化学步骤 (慢)+复合脱附 (快) 电化学步骤 (快)+电化学脱附 (慢) 电化学步骤 (慢)+电化学脱附 (快)
(Ⅰ) (Ⅱ) (Ⅲ） (Ⅳ)
(Ⅱ) 、(Ⅳ) 是迟缓放电理论； (Ⅰ)是复合脱附理论； (Ⅲ）是电化学脱附理论。
四、三种理论的动力学方程
1.迟缓放电理论 假若发生阴极极化，
IH ik ia
如
IHi0 ex R n p T F H ex R p nT F H
IH i0
IH i0expRnTFH
第六章 析氢反应机理 与电化学催化
电极材料是实现电催化过程极为重要的支配因 素。
电化学反应一般是在“电极/溶液”界面的电极 表面上发生的，因此，电极表面的性能如何则 是更为重要的因素。
由于受电极材料种类的限制，如何改善现有电 极材料的表面性能，赋予电极所期望的电催化 性能，便成了电化学工作者研究的一个永恒的 课题。
有时也观察到较高的b值(>140mV)，可能引 起这种现象的原因之一是在所涉及的电势范围 内电极表面状态发生了变化。在氧化的金属表 面上，也往往测得较大的b值．
三、氢析出反应的可能反应机理
假设： 1. H原子具有高度的活性，可以吸附态存在于电极
表面； 2. H2价键饱和，无活性，常温下在电极表面不吸附； 3. H3O+不可能在电极表面同一点同时放电，初始产
a的分类方法虽然简单, 但对电化学实践中选择 电极材料还是有一定的参考价值
高过电位金属: (1)电解工业中用作阴极材料; (2)化学电源:负极;
低过电位金属: (1)制备平衡氢电极; (2)电解水工业中制造阴极; (3)氢-氧燃料电池中作负极;
经验常数 b
在大多数金属的纯净表面上，公式中的经验 常数b具有比较接近的数值(≈100—140mV)， 表示表面电场对氢析出反应的活化效应大致相 同．
0Βιβλιοθήκη BaiduMH
而通过电流时若假定电化学步骤的平衡基本上未受到破
坏，则应有：
e0
RTlnaH
F MH
He RFTlnM M 0 H H
MHM 0 HexpRFTH
IH2FM 2 k H 2F(k M 0 )H 2ex R 2F pT H
H常数 2.23F RTlgIH
3.电化学脱附机理
H+(或H2O)+MH十e
气体电极过程: 在电化学反应过程中,气体在电极上发生氧化或还原反应, 当这种气体反应成为电极上的主反应或成为不可避免的副 反应时,就称该电极过程为气体电极过程.
在各种实际电化学体系中,最常见的气体电极过程是氢电 极过程和氧电极过程.
6.1 氢电极反应的电催化
氢电极反应包括：氢气的析出和氧化。 氢气的析出反应：氯碱工业上的阴极反应，金
H2 iknFKcOexpR nT F平 0
IH2FKcH MH exR pFTH
i0
expRnTFk
2FKcHM 0 H ex 1p R F TH
H常数 12 .3RFTlgIH MHM 0 HexpRFTH