电化学发展展望

电化学发展现状及展望

姓名：陈博洋专业：材料物理学号：2015302662

摘要：电化学是研究电与化学反应相互关系的科学，其在诸多科学领域都得到了

广泛的应用，本文由此介绍了当今电化学的发展现状及其在我们日常生活的应用，总结其发展特点并对其未来的发展提出了展望。

关键词：电化学工业；电解；金属腐蚀防护；生物电化学；燃料电池

引言

伴随当今科技的发展，不仅电化学理论和电化学方法不断创新，而且在应用领域，如化学工业能源材料科学和环境保护等方面同样也占有越来越重要的地位，燃料电池在发电及汽车工业的应用以及生物电化学这一新领域所取得的突出成绩都是比较典型的例子，因此应强调重视电化学新体系的研究，以面对未来能源、材料、生命、信息和环境对电化学技术的挑战.

一、现代发展回顾

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因电子传递理论而获得1992年的诺贝尔化学奖。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，物理学理论的不断发展为观测微观水平提供了有力的技术手段，例如电化学现场表面光谱技术、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原子水平实验基础。总之，20世纪后五十年，由于上述各种实验技术的发展，促进了电化学由宏观研究逐渐转移到分子和原子微观水平的研究，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。

二、应用概述

1）电化学工业

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池水和废水处理等方面的应用。

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。工业中常用的有三种电解池:汞电解池隔板电解池离子选择性电解池。由于氯的腐蚀力和电极本身的氧化，传统碳棒或石墨阳极已经远远不能满足现代工业生产的需求，而由此也催生出了一批新兴的电极材料，例如RuO2涂层的钛电极，RuO2涂层中含有一定量的过渡金属氧化物，如Co3O4等这类阳极几乎不被腐蚀，它的超电势在4～5mV之间，还有一个优点是:不希望出现的析氧副反应已被降到非常低的程度(1%～3%)。

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。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。当然除此之外还有微电解法、电解气浮法和电渗析法等新兴方法。

2）金属腐蚀与电化学防护

钢铁生锈、铜器泛绿、银具变黑等都是材料(通常是指金属)及其结构物，制件与其所处环境介质之间的化学反应或电化学反应所引起的破坏或变质。这类破坏或变质被称之为材料的腐蚀。金属的腐蚀严重破坏了国民经济和国防建设，通过电化学研究金属的腐蚀对于提高我们的生活水平有着重要的意义。

按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程。这里着重研究金属腐蚀的电化学防护。

电化学保护指的是利用外部电流使金属电位改变以降低其腐蚀速度的防腐蚀技术。按照金属电位改变的方向，电化学保护分为阴极保护和阳极保护两大类。

2.1阴极保护

阴极保护是一项十分实用有效的防腐蚀技术。无论是牺牲阳极法，还是外加电流法，在工程上都有着很大的应用前景。

阳极的研制是阴极保护进展的重要方面。阳极中合金元素的作用机理仍在继续深入研究。这也在一定程度上推动了电化学材料科学的发展。为了降低生产成本，已开始探索利用工业纯原料代替高纯度原料制备牺牲阳极的可能性。在构筑物密集的城市地下实施外加电流阴极保护时，已推广应用深埋阳极，以减小对周围的干扰。

阴极保护的应用范围也在继续扩大，为了对付混凝土钢筋的腐蚀问题，阴极保护已作为—项主要的防蚀措施而提出。传统的阴极保护技术只能应用于液体电解质或以此为导电组分的腐蚀环境(如土壤)中，不能控制大气腐蚀和水线以上的腐蚀，因为保护电流不能达到与液体电解质接触的金属表面。这也是电化学防护中亟待解决的问题。

2.2阳极保护

阳极保护适用于具有活化---钝化转变的体系。它依靠通入阳极极化电流使金属电极电位正移，在表面生成钝化膜，从而减缓了腐蚀。它的特点是：在进入稳定的钝态后，腐蚀速度显著降低，日常运行费用也低，在正常情况下可以达到十分有效的保护；阳极保护时电位分布比较均匀，能够应用于形状较复杂的设备，为了使电位进入稳定钝化区，阳极保护的电位控制要求比较严格，否则可能有增加阳极溶解的危险。阳极保护主要应用在化工设备的防腐蚀。例如碳化塔冷却水箱阳极保护，氨水罐群阳极保护。

3）生物电化学

生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。

生物电催化，它可定义为在生物催化剂酶的存在下与加速电化学反应相关的一系列现象。在电催化体系中，生物催化剂的主要应用有：研制比现有无机催化剂好的，用于电化学体系的生物催化剂;研制生物电化学体系，合成用于生物体内作为燃料的有机物;应用酶的专一性，研制高灵敏的电化学传感器。

生物电分析是分析化学中发展迅速的一个领域。利用生物组分，如酶、抗体等来检测特定的化合物，这一方面的研究导致了生物传感器的发展。

微电极传感器是将生物细胞固定在电极上，电极把微有机体的生物电化学信号转变为电势。因此微电极传感器在医学中的应用有着非常广阔的前景。人体脑电图肌电图和心电图的分析对检测和处理相关疾病是非常重要的，而所有这些技术都是基于测量人体中产生的电信号。

4）化学电源

早在1800年Volta利用不同金属与电解质接触所构成的Votal堆电池技术取得实质性进展始于19世纪。1860年法国人Plante首次发明了实用的铅蓄电池并于1882年商品化这种电