第四章电催化与电催化电极
电催化原理及应用
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3. 载体 基础电极与电催化涂层有时亲和力不
够，致使电催化涂层易脱落，严重影响电极 寿命。所谓电催化电极的载体就是一类起到 将催化物质固定在电极表面，且维持一定强 度的一类物质。 4. 电极表面结构
电催化电极的表面微观结构和状态也
是影响电催化性能的重要因素之一。而电极 的制备方法直接影响到电极的表面结构。无 论是提高催化活性还是提高孔积率，改善传 质、改进电极表面微观结构都是一个重要手 段，因而电极的制备工艺绝对是非常关键的 一个环节。
1.在常规的化学催化中，反应物和催化剂的电子转移是在限定区域进行的， 因此，在反应过程中既不能从外电路导入电子也不能从反应体系导出电 子。 在电极催化反应中有纯电子的转移，电极作为反应的催化剂，既是反应的 场所，又是电子的供受场所。 2.常规的化学催化电子的转移催化无法从外部加以控制，而电催化可以 利用外部回路控制电流，从而控制反应。
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影响电催化的因素
影响处理效果的的主要因素可分四 个方面，即电极材料、电解质溶液、 废水的理化性质和工艺因素(电化学 反应器的结构电流密度、通电量等) 。 其中，电极材料是近年研究的重点。
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1. 电极材料 在电解法处理有机废水的过程中，电极不仅
起着传送电流的作用，而且对有机物的氧化降解 起催化作用，电极材料选择的好坏，直接影响有 机物降解效率的高低。电解过程主要是通过阳极 反应来降解有机物的，而且电位越高，有机物的 脱除效果越明显。但电位过高会受到阳极材质腐 蚀和多种副反应的制约，主要竞争副反应是阳极 氧气的析出，因此催化电极应具有较高的析氧超 电势。
电催化原理及应用
化学13-1 高龙飞
1.引言 2.电化学催化原理 3.电催化特点 4.电催化电极 5.影响电催化的因素 6.电催化的前景
电催化课件PPT
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电催化剂包括初级效应和次级效应：
初级效应—电极表面与反应物及产物 （包括中间产物）之间的相互作用；
次级效应—双电层构造对反应速度的 影响。
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研究电催化的意义
热力学有利反应无催化 ຫໍສະໝຸດ 应速率低（i0 小，η高）
电催化的目的：寻求具有较低能量的活化途径,使 所希望的电极反应尽可能在平衡电势附近以高电 流密度发生。
滴汞电极上的氢超电势 1、HCl+KCl；2、 HCl+KBr；3、 HCl+KI
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电催化的应用
例１：氯碱工业中，耗电费用占产值的３０％， 如果电催化剂能使电解槽压下降0.1Ｖ，则生产 每吨烧碱能节省７０度电；
例２：在化学电源和燃料电池等电化学装置中， 应用电催化剂可以减小电极极化，提高电池输出 功率；
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如何评价电催化性能？
电极催化能力：平衡电位下的交换电流密度i0 具体表现：电极反应氧化还原超电势的降低
或在某一给定电势下氧化还原电流的增加 例如： 氢在钯电极上析出的速度比汞电极快109倍
氧在钌电极上还原的速度是金电极上的107倍
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电催化的作用机制？
①电极与反应物粒子或中间产物粒子或者产物粒子发 生某种相互作用，改发了反应进行的途径，降低了反 应活化能-初级效应
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在许多金属上，氢析出超电势符合Tefel公式： c= a+ blgI
a= (-2.3RT/ nF )lgiº或 (-2.3RT/ nF )lgiº b= 2.3RT/ nF或 2.3RT/ nF
其中，b：100~140mV，表明表面电场对氢析出的活化效应基本 相同；但在不同电极上a值很不相同，表明对氢析出的催化能力不同。
电催化及光催化
位）是使反应进行的驱动力（自由能降低大, -
△G）, 也称为亲和力（affinity）。这在研究反
应动力学的特性时有重大意义。
•
2. 可利用外部回路（例如, 恒电位）控制超
电压, 使反应条件／反应速度较易控制, 且可实
现剧烈的电解和氧化-还原条件。
•
3. 电流可作为测定反应速度的量。
因此, 测定的灵敏度和精确度都比较高
程。在Helmholz双电荷层中的电位降可使价带
边缘移至受体3能带以上的位置, 这就为电子双
价带转移入受体提供了可能性, 这意味着注入
空穴。
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• 验发现, 未经修飾的半导体的超电位的大小 明显依赖于表面的制法。
• 对修飾过的表面, 就可以接近于活性铂 极的行为。这里, Schottky能垒在有关偏压 情况下, 是相当小的（TiO2,MoSe2）, 对 GaAs, GaP, 超电位则仍为Schottky能垒高 度所控制。
的固有特性。
•
图4-6为经5次电位(1.5V-0.05V)循环的
Pt(111)面的STM像。
• 图11-7 经在1.5V和O.05V(相对于RHE)之间5次电位循环后的 • Pt(111)的[12] STM像 • (100nm X 100nm)
• 图中见到的线是原来存在的单原子的阶梯线 (stepline)。认为大多数是在平台上形成的起伏 的单原子高度的阶梯。因起伏是单原子的, 故 上下高度应当于二个原子, 因而, 见到了直径约 3nm的半球。
• 台和单原子层的阶梯。另外, 具有扭结的 晶面并不能因扭结的增加而观测到新峰, 担和这样的面相对应的峰将会有所变化。 可以说, 扭结也是一种目的晶面。
• 3. 电极表面上的吸附作用
电催化ir补偿和电极面积
电催化ir补偿和电极面积电催化IR补偿和电极面积引言：电催化IR补偿是一种用于电化学研究和应用中的技术，通过对电极界面的IR（欧姆）电势进行补偿，可以提高电化学实验的准确性和可重复性。
电极面积作为电催化IR补偿的一个重要参数，对实验结果具有重要影响。
本文将从理论与应用两个方面，介绍电催化IR补偿和电极面积的相关内容。
一、电催化IR补偿的原理电催化IR补偿是基于欧姆定律的原理，即电流通过电解液和电极界面时会产生一定的电势损失，称为IR（欧姆）电势。
这种电势损失会导致电化学实验中的电流测量结果产生误差。
为了减小这种误差，可以通过对电池电路进行补偿，使得实际测量的电势等于电化学反应的电势。
二、电催化IR补偿的方法电催化IR补偿主要有两种方法：外电势补偿和内电势补偿。
外电势补偿是通过在电池电路中增加一个电势源，使得电池电路中的总电势等于电化学反应的电势。
内电势补偿则是通过在电解液中引入一个可逆电极，在电极界面产生一个与IR电势相等但方向相反的电势，从而抵消IR电势。
三、电极面积对电催化IR补偿的影响电极面积是电催化IR补偿中一个重要的参数，它对补偿效果和实验结果具有重要影响。
较大的电极面积可以降低电极界面的IR电势，从而提高补偿效果。
此外，较大的电极面积还可以增加反应的速率和效率，提高电化学实验的灵敏度和准确性。
四、电催化IR补偿的应用电催化IR补偿在电化学领域有着广泛的应用。
例如，在电化学催化剂的研究中，通过对电极界面的IR电势进行补偿，可以准确测量催化剂的电化学活性。
在电池研究中，电催化IR补偿可以提高电池的能量转化效率和循环寿命。
此外，电催化IR补偿还可以应用于电化学传感器、电分析化学和电催化合成等领域。
结论：电催化IR补偿是一种重要的电化学技术，可以提高电化学实验的准确性和可重复性。
电极面积作为电催化IR补偿的一个重要参数，对补偿效果和实验结果具有重要影响。
电催化IR补偿在电化学研究和应用中有着广泛的应用前景。
电催化原理及应用
许多化学反应尽管在热力学上是可行 的，但由于反应速度太小而没有实际 意义。为了使这类反应具有使用价值， 就需要引入催化反应和催化剂，以降 低总反应的活化能、提高反应速率。-化学催化因此而诞生。
常规催化作用机理
光合作用中酶参与的催化作用
酶的催化作用过程
1.机理：降低反应的活化能。 2.需要催化剂的参与。 3.催化改变化学反应速率而不影响化学平衡的作用。 4.本质上是一种化学作用。 5.反应前后催化剂的量和质均不发生改变的反应。 6.常规催化的关键是催化剂。
与常规的催化化学相比
1.在常规的化学催化中，反应物和催化剂的电子转移是在限定区域进行的， 因此，在反应过程中既不能从外电路导入电子也不能从反应体系导出电 子。 在电极催化反应中有纯电子的转移，电极作为反应的催化剂，既是反应的 场所，又是电子的供受场所。
2.常规的化学催化电子的转移催化无法从外部加以控制，而电催化可以
影响处理效果的的主要因素可分四个方面即电极材料电解质溶液废水的理化性质和工艺因素电化学反应器的结构电流密度通电量等电极材料在电解法处理有机废水的过程中电极不仅起着传送电流的作用而且对有机物的氧化降解起催化作用电极材料选择的好坏直接影响有机物降解效率的高低
电催化原理及应用
化学13-1 高龙飞
1.引言 2.电化学催化原理 3.电催化特点 4.电催化电极 5.影响电催化的因素 6.电催化的前景
利用外部回路控制电流，从而控制反应。
电催化作用覆盖着电极反应和催化作用两个方面，因此电催化剂必需同时具 有这两种功能：①能导电和比较自由地传递电子；②能对底物进行有效的催 化活化作用。能导电的材料并不都具有对底物的活化作用，反之亦然。
电催化电极
电极------是指与电解质溶液或电解质接触的电子导体 或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能的输入 或输出，又是电化学反应发生的场所。 电催化电极------首先是一个电子导体，其次要具有催 化功能。即对电化学反应进行某种促进和选择。
电催化的基本原理及其应用
电催化的基本原理及其应用概述电催化是一种利用电流促进化学反应的方法。
通过在电极表面施加电压，可以改变反应物的电子转移速率，从而加速反应速率。
电催化广泛应用于电化学能量转化、合成化学和环境保护等领域。
本文将介绍电催化的基本原理以及其重要应用。
基本原理1.电化学反应电催化是基于电化学反应的原理。
电化学反应是指在电解质溶液中，由于电子的流动而引起的化学反应。
其中，电子从电极上的阴极转移到阳极，导致溶液中化学物质的氧化还原反应。
2.电催化过程电催化过程是电化学反应在电极表面发生的过程。
电催化过程包括电化学反应产生的氧化还原物种在电极表面的吸附和解离过程。
3.双电层电催化的关键是电极表面的双电层形成。
双电层是由电极表面吸附的溶液中的离子和极化层中的电解质分子组成的。
在电解质溶液中施加外电压后，离子在电极表面形成疏水带和疏水带之间的压电双电层。
应用1.电化学能量转化电催化在电化学能量转化中有重要应用。
例如，燃料电池是一种利用电催化实现将化学能转化为电能的设备。
电催化还可以用于水电解制氢和电化学制氧等过程。
2.合成化学电催化在合成化学中也发挥了重要作用。
电催化可以用于电化学合成有机物，如电解还原法合成有机合成原料。
此外，电催化也可以用于电化学催化还原反应，例如催化加氢反应、电催化还原制备金属器件等。
3.环境保护电催化技术在环境保护中有广泛应用。
例如，电催化可以用于废水处理，通过电化学氧化还原反应去除废水中的有机物和金属离子。
同时，电催化还可以用于大气污染物的催化还原，使其转化为无害物质。
结论电催化是一种利用电流促进化学反应的方法，在电化学能量转化、合成化学和环境保护等领域有重要应用。
电催化的基本原理包括电化学反应、电催化过程和双电层形成。
通过了解电催化的原理和应用，可以更好地推动电催化技术的发展和应用。
电极材料在电催化反应中的优化设计
电极材料在电催化反应中的优化设计电催化反应是一种利用电流作为能量源促进化学反应的方法。
在电催化反应中，电极材料起着至关重要的作用。
优化设计电极材料可以提高反应效率、降低能耗，并且对环境友好。
本文将探讨电极材料在电催化反应中的优化设计，并介绍一些常见的电催化反应及其应用。
1. 电催化反应的基本原理电催化反应是通过在电极表面施加电压来实现化学反应的过程。
在电催化反应中，电极材料扮演着催化剂的角色，通过吸附反应物并调控反应速率。
电极材料的选择对反应效率和选择性有着重要影响。
2. 电极材料的选择与设计电极材料的选择应考虑其导电性、稳定性、催化活性和可再生性等因素。
常见的电极材料包括金属、碳材料和金属氧化物等。
2.1 金属电极材料金属电极材料具有良好的导电性和稳定性，适用于一些氧化还原反应。
例如，铂电极常用于氧还原反应，其具有较高的催化活性和稳定性。
然而，金属电极材料的成本较高，限制了其在工业应用中的广泛使用。
2.2 碳材料电极碳材料电极具有优异的导电性和催化活性，且成本相对较低。
石墨烯是一种新兴的碳材料，具有高比表面积和良好的电子传导性能，适用于氧还原反应和氢气生成反应等。
此外，碳纳米管和多孔碳材料也被广泛研究和应用于电催化反应中。
2.3 金属氧化物电极材料金属氧化物电极材料具有良好的催化活性和稳定性。
例如，二氧化锰是一种常用的金属氧化物电极材料，可用于氧还原反应和水氧化反应等。
此外，氧化铁、氧化钴等金属氧化物也在电催化反应中得到广泛应用。
3. 电催化反应的应用电催化反应在许多领域具有广泛的应用前景，如能源转换、环境保护和有机合成等。
3.1 能源转换电催化反应在能源转换中发挥着重要作用。
例如，燃料电池利用氢气和氧气的氧化还原反应产生电能，可用于替代传统的燃烧发电。
此外，光电催化也是一种将太阳能转化为化学能的方法，通过光催化反应将光能转化为电能或储存为化学能。
3.2 环境保护电催化反应在环境保护中具有潜在应用。
电极材料在电催化中的应用研究
电极材料在电催化中的应用研究电化学领域是一个重要的工业和科研领域，它的研究对象是在电场的作用下，化学反应中所涉及的物质结构和性质的变化规律。
其中，电催化作为电化学的一种重要应用形式，主要研究在电场的作用下，电解质溶液中的化学反应过程及其机理，是当前最热门的研究领域之一。
而电化学反应的实现需要依赖电极作为反应场所，因此电极材料的研发也成为了电催化研究的重要分支。
一、电极材料的概念电极通常是指一种通电的材料，它可以将化学反应转化为电学信号。
电极可分为阳极和阴极两种，而阴极是负电极，它在反应过程中接受电子，是化学还原反应的场所；阳极则是正电极，它在反应过程中释放电子，是化学氧化反应的场所。
在电催化中，电极材料的选择非常重要，不同的电极材料对反应过程有着不同的影响。
目前常见的电极材料有金属、碳材料、半导体材料等。
二、电极材料在电催化反应中的应用（一）金属材料金属材料具有良好的导电性和可塑性，被广泛应用于电催化反应中的电极材料。
其中，铂和金被认为是最常用的阳极材料，而银、铜、锌等金属是常用的阴极材料。
以铂电极为例，它在电催化反应中常常扮演着重要的角色。
铂具有良好的电化学稳定性和催化活性，在实验室和工业生产中得到广泛使用。
例如，在燃料电池中，铂电极作为催化剂可以促进氢气和氧气的反应，从而提高燃料电池的能量输出效率。
（二）碳材料碳材料是一种非常重要的电极材料，具有高的导电性、化学稳定性和表面可控性，是电催化反应中最常用的材料之一。
常见的碳材料包括石墨、活性炭、碳纳米管等。
以碳纳米管为例，它具有高比表面积和极佳的电化学稳定性，在电催化反应中有着广泛的应用。
碳纳米管的表面结构和化学性质对电催化反应有着重要的影响，因此通过调控其表面功能基团，可以实现对电催化反应的控制和优化。
（三）半导体材料半导体材料具有较高的化学活性和表面催化活性，可以在电催化反应中发挥重要作用。
常见的半导体材料包括二氧化钛、氧化锌等。
以二氧化钛为例，它被广泛应用于污染物的光解降解反应和化学反应，具有良好的光催化性能和化学稳定性。
电催化反应中的电极材料选择
电催化反应中的电极材料选择电催化反应是一种利用电能促进化学反应的技术，可以用来制备新型材料、降解污染物、储能等。
其中，电极材料是电催化反应的关键。
本文将着眼于电极材料的选择，介绍了常见的电极材料以及其优缺点，为电催化反应的研究提供参考。
一、金属电极金属电极是电催化反应中最常用的电极之一，具有导电性好、易于制备和成本低等优点。
常见的金属电极有铜、银、铝、钼、铁、镍等。
其中，铜和银电极具有良好的催化活性，在有机合成、清洁能源等领域具有广泛的应用。
1. 铜电极铜电极是电化学催化反应中最常用的电极之一，因其良好的催化活性而广受研究者的青睐。
铜电极可以催化各种有机物的还原和氧化反应，如羧酸的加氢还原、硝基化合物的还原、有机酯的水解等。
铜电极的催化活性主要取决于其晶体结构和表面形貌，因此，在制备铜电极时需要注意控制晶体结构和表面形貌。
2. 银电极银电极是一种优良的电化学催化材料，可以用于化学传感、光电催化和电解水制氢等领域。
银电极催化氧化剂还原反应的活性具有明显的结构依赖性，表面原子的密度和组合方式对反应活性有很大的影响。
此外，银电极还可以催化有机化合物的氧化反应，如苯酚的氧化等。
二、半导体电极半导体电极是应用范围广泛的电极材料之一，常用于光电催化、生物传感等领域。
半导体电极的优点在于其表面常态就能形成电子与空穴对，故能够吸收光能激发电子，进而催化化学反应。
常见的半导体电极有TiO2、ZnO、Fe2O3等。
1. TiO2电极TiO2电极是一种良好的光电催化材料，具有高的光催化反应活性、抗腐蚀性、化学稳定性等优点。
TiO2电极主要应用于光催化分解水制氢、有机废水处理等领域，在光催化领域中有着广泛的应用。
2. ZnO电极ZnO电极是一种广泛受到研究的光催化材料，具有高的光催化活性和良好的耐腐蚀性等优点。
ZnO电极可用于水的分解、空气污染物的降解、有机废水的处理等多种领域。
三、碳基材料电极碳基材料电极是一种具有较好催化活性的电极材料，具有导电性好、耐腐蚀等优点。
电催化ir补偿和电极面积
电催化ir补偿和电极面积电催化IR补偿和电极面积引言：电催化IR补偿是一种通过改变电极面积来实现电流补偿的技术。
电催化是一种将化学能转化为电能的过程，其中电极面积是影响电催化效果的重要因素之一。
本文将重点讨论电催化IR补偿的原理、应用以及电极面积对其影响的重要性。
一、电催化IR补偿的原理电催化IR补偿是一种通过调节电极面积来实现电流补偿的技术。
在电催化过程中，电极表面发生氧化还原反应，产生电流。
然而，在实际应用中，由于电极表面积有限以及反应过程中存在的电阻、极化等因素，导致电流的不均匀分布。
为了解决这一问题，可以通过增大电极的有效表面积来提高电流密度，进而实现电流的均匀分布。
二、电催化IR补偿的应用电催化IR补偿技术在许多领域都得到了广泛的应用。
其中一个典型的应用就是燃料电池。
燃料电池是一种通过将燃料和氧气反应产生电能的装置。
在燃料电池中，通过控制电极表面积，可以实现燃料和氧气的充分反应，提高燃料电池的效率和稳定性。
电催化IR补偿技术还可以应用于电化学传感器中。
电化学传感器是一种利用电化学原理来检测和测量物质浓度的传感器。
通过调节电极表面积，可以提高传感器的灵敏度和稳定性，从而提高检测的准确性和可靠性。
三、电极面积对电催化IR补偿的影响电极面积是影响电催化IR补偿效果的重要因素之一。
较大的电极表面积可以提高电流的承载能力，进而提高电流密度和均匀分布。
而较小的电极表面积则会限制电流的承载能力，导致电流密度较低，不利于电流的均匀分布。
电极面积还会影响电催化反应的速率。
较大的电极表面积可以提供更多的反应活性位点，从而加速反应速率。
而较小的电极表面积则会限制反应活性位点的数量，降低反应速率。
四、结论电催化IR补偿是一种通过调节电极面积来实现电流补偿的技术。
电极面积对电催化IR补偿的效果具有重要影响。
较大的电极表面积可以提高电流的承载能力和均匀分布，加快反应速率。
因此，在电催化IR补偿技术的应用中，合理选择和控制电极面积是非常重要的。
电催化氧化技术
2.2 电催化的特点：
1. 在常规的化学催化作用中，反响物和催化剂之间的电子传递是在 限定区域内进展的。因此，在反响过程中，既不能从外电路中送入电 子，也不能从反响体系导出电子或获得电流；
如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。
间接复原：利用电化学过程中生成的一些复原性物质如 Ti3+，V2+和Cr2+将污染物复原去除，如二氧化硫的间接 电化学复原可转化成单质硫：
SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O
电化学氧化
直接氧化：污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，有机物 的直接电催化氧化分两类进展。 〔1〕电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把 难生化的有机物转化为易生化的物质〔如芳香物开环氧化为脂 肪酸〕，以便进一步实施生物处理； 〔2〕电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究说明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反响机理 和产物同阳极金属氧化物的价态和外表上的氧化物种有关。
阳极外表氧化过程分两阶段进展—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基:
MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
然后吸附的氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格， 形成高价氧化物： MOx (·OH) → MOx+1 + H+ + e-
当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出 反响：
【电化学】第四章 无机物的电合成
氧在阳极析出的反应比还原反应复杂，这是因为金属电极表 面往往形成各种不同价态的氧化物，受影响因素较多。氧在 酸性溶液中析出的电位很正，适合使用Pt和Au作电极。在碱 性溶液中氧析出电位较低，可用Fe、Ni等为电极。
在酸性溶液中有 2H2O= 4H+ + O2 + 4e
在碱性溶液中有 4OH-= 2H2O + O2 +4e
工业电合成的前提是： 1、没有已知的化学方法； 2、已知的化学方法步骤多或产率低； 3、化学方法采用的试剂价格高； 4、现有化学方法工艺流程大批量生产有困难，
或者经济不合算，或污染问题未解决。
三、无机物电合成简介 1、NaCl水溶液 NaOH， Cl2， H2 2、H2O: H2、 O2 和重水 3、 KMnO4， H2O2，H2Cr2O7
H2O吸= OH吸+ H+ + e
( rds)
OH 吸= O 吸+ H+ + e
2O 吸= O2
在碱性溶液中O2的析出机理：
HO-吸= OH吸 + e
(高i 时慢)
OH-吸 + OH吸 = O吸+ H2O + e (低i 时慢)
2O吸= O2
三、氯电极过程
氯在石墨电极上析出和 氯在石墨上还原都符合 Tafel 关系，且具有相同的 斜率。可能的机理有：
§5 电解制取氯碱
电解食盐水溶液是大规模的工业生产，因此必须考虑： (1)简单而价格便宜的电解槽设计； (2)高电流密度以减少投资； (3)电解槽的组成部分必须可靠，容易获得并使用寿命长； (4)电流效率和产率高； (5)低的能量消耗．
§5 电解制取氯碱
在氯碱电解槽中好的隔离器应具有： (1)只许Na+ 从阳极到阴极，不许OH- 从阴极到阳极； (2)低电阻； (3)对湿氯气和５０％NaOH具有长期的稳定性。
电极催化和电催化反应的研究和应用
电极催化和电催化反应的研究和应用随着现代化科技的进步，电催化反应在众多领域的应用已越来越广泛，成为了绿色化学的代表之一。
而电极催化技术，更是在化学反应的催化过程中起到了至关重要的作用。
本文将从电极催化和电催化反应的概念、分类、原理、研究进展和应用等方面进行论述。
一、概念电极催化，是指通过在电极表面加速化学反应，以提高反应速率和增强反应选择性的化学反应机制。
在电催化反应中，电流的存在和电极表面催化物质共同促进了电化学反应的进行，从而实现了电能与化学能的相互转换。
二、分类根据反应形式，电极催化可分为氧化还原电极催化、酸碱电极催化和化学吸附电极催化等。
其中最为常见的是氧化还原电极催化，其基本机理为电子传递和氧化还原过程，并通过变化电荷的反应方式来诱导化学变化。
酸碱电极催化主要是通过电极表面电化学反应来改变反应溶液的酸碱性质，从而影响反应速率和化学平衡。
化学吸附电极催化，则是在电极表面发生的非电化学反应，它在反应定点上的催化程度取决于吸附分子的能量状态。
三、原理在电极催化反应中，电极负责传递电流。
当电势过高时，电极表面将会出现还原或氧化电位。
那么，当反应物分子在此时分解为氢离子或氢分子等形式，将会进入电极表面，并在这里发生电化学反应。
而这种电中性物质与离子之间的相互作用，便是整个反应过程的基础。
四、研究进展近些年来，电极催化技术在众多领域中得到了广泛的应用。
在电化学传感器和电催化剂等方面，它都得到了不断的改进和提高。
而基于单分子反应的电极催化方案，则更是通过不同的前体分子，来精确控制其化学反应的进程和结果。
此外，电极催化技术也对水处理和环境保护等领域产生了积极的影响。
五、应用在工业生产中，电极催化技术被广泛应用于化学合成、无机合成、电池和化学储能等领域。
而在新医药研发，尤其是肿瘤治疗领域的应用中，电极催化技术也正逐渐得到体现。
此外，电极催化技术还可被应用于环境监测、电解平衡兴趣和电解法制备纳米多孔材料等领域。
《电催化》教学大纲
《电催化》教学大纲课程编号：04053900课程名称：电催化英文名称：Electrocatalysis课程性质：专业选修课学时/学分：32 /2考核方式：考试选用教材：《电催化》，孙世刚，陈胜利主编，化学工业出版社，2013年先修课程：基础化学原理，有机化学，物理化学，应用电化学、燃料电池后继课程：能源材料与器件，化学电源设计适用专业及层次：新能源材料与器件专业，大三本科生大纲执笔人：姜鲁华大纲审核人：一、教学目标通过本课程的学习，使学生具备下列能力：1.能够准确理解和掌握电催化基础知识及基本原理2.能够运用电催化理论基础知识进行简单的问题分析3.能够熟悉常用的电催化剂制备方法及其原理4.能够了解常用的原位和非原位电催化剂表征技术5.能够初步学会分析和解决电催化应用领域中各种实际问题二、课程目标与毕业要求的对应关系（表格可以扩展）毕业要求指标点课程目标2．掌握扎实的数学、物理、化学、材料科学等自然科学基础知识与理论； 2.1 掌握电催化/电催化剂相关的化学和材料基础知识和理论；掌握电催化理论的基础知识和基本原理；4.掌握以化学电源、燃料电池或太阳能电池为重点的新能源材料及其器件方面的基本理论知识，以及材料设计4.1 掌握电催化剂的制备方法及相关理论；掌握电极过程动力学和电催化的基本理论知识，和制备、器件组装与测试等方面的实验技能； 4.2 掌握电催化剂评价方法和表征技术。
为材料设计和制备、器件组装与测试奠定基础；5．了解燃料电池新型催化材料与器件领域的前沿信息与发展趋势，以及国内外燃料电池产业的发展战略和动态； 5.1 了解燃料电池电催化剂的前沿信息和发展趋势；5.2 了解前沿的液固界面表征技术。
了解电催化领域的前沿信息与发展趋势，以及国内外涉及电催化反应的新能源产业的发展战略和动态；10．具备在新能源工业中从事生产、设计、研发、教学、咨询、管理和贸易等工作的潜质。
10.1 具备从事电催化材料设计开发的能力。
电催化法的原理和电极设计方法
电催化法的原理和电极设计方法电催化法是一种重要且广泛应用的电化学方法，用于催化化学反应。
其原理基于电化学反应的发生，通过在电催化剂上施加电流，激发催化反应，提高反应速率和选择性。
电催化法的原理可以归结为两个重要的步骤：电化学吸附和电催化反应。
电化学吸附是指在电极表面或液相中由于电化学胶束等效应下的物质吸附现象。
电极表面的吸附物质可以与电子转移反应产生中间体，这些中间体可以进一步催化反应。
电催化反应发生在电极表面或液相中，通过电子转移过程进行。
为了有效地实现电催化反应，电极设计起着关键作用。
电极是电催化反应的关键媒介，其结构和性质直接影响电催化效果。
电极设计需要考虑以下几个方面：第一，选择适当的电极材料。
电极材料应具有良好的导电性和化学稳定性，能够承受反应条件下的电流和溶液的腐蚀性。
常用的电极材料包括金属（如铂、银等）、碳材料（如石墨、碳纳米管等）和半导体材料。
第二，控制电极的表面形貌和结构。
电极的表面形貌决定了催化剂的活性和选择性。
通常采用形貌可控的合成方法，如溶剂热法、溶胶凝胶法等，来制备具有特定形貌和结构的电极材料。
例如，通过调控表面的形貌和孔隙结构，可以增加催化剂的活性表面积，提高反应效率。
第三，调控电极的电势。
电极的电势对电催化反应的进行具有重要影响。
通过调节电极的电势，可以改变催化剂表面的电荷状态和反应活性。
一般而言，较低的电极电势能够促进催化反应的进行，但同时也容易产生副反应。
电催化法在多个领域具有广泛的应用。
例如，电催化法可用于水分解产氢，通过应用电流在阳极和阴极上引发氧化和还原反应，从而分解水分子并生成氢气。
此外，电催化法还可应用于储能器件和化学传感器等领域。
总之，电催化法是一种基于电化学原理的催化化学方法，通过电流的引导，催化剂能够促进反应的进行。
合理的电极设计是实现高效电催化反应的关键。
通过选择适当的电极材料、控制电极表面形貌和结构，以及调控电极的电势，可以实现高效、选择性的电催化反应。
电催化反应
电催化反应电催化反应是一种利用电能驱动的化学反应过程。
它通过在电极上施加电压，使电子流动，从而促使化学反应发生。
电催化反应广泛应用于能源转换、环境保护、化学合成等领域，具有高效、可控性强、环境友好等优点。
在电催化反应中，电极扮演着至关重要的角色。
电极是电催化反应发生的场所，它提供了电子传输的通道，并与电解质溶液中的离子进行反应。
电极材料的选择对电催化反应的效率和选择性有着重要影响。
常用的电极材料包括金属、合金、导电聚合物、碳材料等。
不同的电极材料具有不同的电化学活性和催化性能，可以用于不同的电催化反应。
在电催化反应中，电流密度是一个重要的参数。
电流密度是单位面积上通过电极的电流量，它直接影响反应速率和效率。
通过调节电流密度，可以实现对电催化反应的控制。
例如，增加电流密度可以提高反应速率，但也可能导致副反应的发生。
因此，在实际应用中，需要找到合适的电流密度范围，以平衡反应速率和选择性。
电催化反应的机理与传统化学反应有所不同。
在电催化反应中，电子和离子是通过电解质溶液传递的，而不是通过传统的物质扩散。
这意味着电催化反应的速率可以通过控制电流密度来调节，而与物质扩散速率无关。
这为实现高效、可控的电催化反应提供了可能。
电催化反应在能源领域具有广泛应用。
例如，电解水制氢是一种重要的能源转换过程。
通过在电解池中施加电压，水分子可以被电解成氢气和氧气。
这种方法不仅可以用于储能，还可以产生清洁的燃料。
此外，电催化反应还可以用于电池、燃料电池、光电催化等能源转换技术。
电催化反应还在环境保护领域发挥着重要作用。
例如，电化学降解是一种有效的水处理方法。
通过在电极上施加电压，污水中的有机物可以被氧化分解，达到净化水质的目的。
与传统的化学处理方法相比，电催化反应具有能耗低、无需添加化学试剂等优势。
电催化反应还在有机合成中发挥着重要作用。
通过在电极上施加电压，可以实现催化剂的再生和电活化，从而提高有机合成的效率和选择性。
电催化反应还可以实现不对称合成，合成手性化合物，为药物合成和农药合成提供了新的途径。
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a
斜率b越大，在相同电流密度（相同反应速度）下过电位越 高，也即在相同过电位下，斜率b越大，反应速度越小。
五、常用的电催化剂
电极的种类（按物质区分）
金属电极 合金电极 半导体型氧化物电极 金属配合物电极
1）金属电极
以金属作为电极反应界面的电极，除碱、碱土金属外， 大多数金属作为电化学电极均有研究。
目前已知的电催化剂主要为过渡金属及其化合物。
设计关键：选择过渡金属中心原子
特点：过渡金属的原子结构中都含有空余的d轨道和未成对
的d电子，通过催化剂与反应物的接触，催化剂空余d轨道上 将形成各种特征的吸附键，达到分子活化的目的，从而降低了 复杂反应的活化能。 主要为含有Ti, Ir, Pt, Ni, Ru等金属或合金及其氧化物。如
第四章 电催化与电催化电极
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 电催化与催化基理 化学修饰电极 形稳阳极 铝熔盐电解催化电极研究
§4.5
其他催化电极
§4.1电催化的基本原理
一、概述 二、电催化的类型与原理
§4.1电催化与电催化基本原理
一、概述
1、电化学催化的定义
整个电极反应中既不产生也不会消耗的物质，对 电极反应的加速作用称为电化学催化。 能催化电极反应的或者说对电极反应起加速作用 的物质称为电催化剂。
2）合金电极
甲醇氧化用的钼锡合金，镍钼合金释氢活性阴极，电 极铜、锌的铅银阳极。
3）金属氧化物电极
建立在半导体研究的基础上。已有大规模的应用 ，如氯碱 工业使用的RuO2 电极（将活性材料附着在钛电极上形成 形稳阳极）、铅酸电池中应用的PbO2电极等。
4）金属配合物电极
过渡元素金属的酞菁化物和卟啉等
2、电催化的本质:
通过改变电极表面修饰物（或表面状态）或溶液相中的 修饰物，大范围的改变反应的电极电势与反应速率,使电极除 具有电子传递功能外,还能促进和选择电化学反应.
3、电催化反应的共性
反应过程包含两个以上的连续步骤，且在电极表面生成化学
吸附中间产物。许多由离子生成分子或使分子降解的电极反
应都属于此类反应。分成两类： （1）离子或分子通过电子传递步骤在电极表面上产生吸附 中间物，经过电化学脱附步骤或化学步骤生成稳定的分子。 如酸性溶液中的氢析反应：
氢气析出的电催化
㈠氢气析出的过程： ⒈液相传质步骤： 酸性介质：
H3O+（溶液本体）→H3O+（电极表面附近液层）
中性或碱性介质：
H2O或OH-（溶液本体）→H2O或OH- （电极表面附近液层）
⒉电化学反应步骤： 电化学还原产生吸附于电极表面的氢原子。 酸性介质： H3O+ +e+M→MH+H2O 中性或碱性介质： H2O +e+M→MH+OH -
2.电极材料的改变，反应速度发生变化。
主效应：电极材料对反应活化能的影响 特点：反应速度改变几个数量级 次效应：电极材料改变双电层结构的影响 特点：反应速度变化已有1~2个数量级
3.不同电极材料电解同种物质，产物不同。
三、电催化剂应具备的条件
1. 电极结构必须具有物理稳定性和电化学稳定性。 2. 导电率高，具有电子导电性。 3. 电催化活性优良 4. 对反应具有高选择性，不易中毒失效。
5. 成本低廉、易得、具有安全性。
某些电极材料可在电极反应前或电极反应中活化，提高反应速 度。例如：交流脉冲法、超声波辐射。
二、催化电极的特性
满足的要求 良好的稳定性：能承受杂质或中间产物的作用而不 失活； 良好的机械物理物质。
电子导体：具有良好的导电性，与导电材料（石墨、 金属）结合后电阻小；
吸附中间物，随后化学吸附中间物经异相化学步骤或电化学 脱附步骤生成稳定的分子。 例如：某氧化反应 反应机理：
2R 2e O2
M R e M O
2M O k2 M O2
（速度控制步骤—化学脱附）
或
k2 a M O R e M O2
（速度控制步骤—电化学脱附）
二、电催化的特征
1.主要特征：受电极电位的影响
其他影响因素：温度、浓度、压力 表现在：
化学吸附中间物的生成速度和表面覆盖度，与电极电位有关。
金属电极表面电荷密度变化，从而电极表面可调变的Lewis酸-碱特征
影响电极/溶液界面上离子的吸附和溶剂的取向 吸附中间物常借助电子传递或其他i电极， RuO2-TiO2电极， Pt/Ti电极，Pt/GC电极
六、电催化作用机理 电催化的类型： 吸附机理, 氧化—还原机理 (一)吸附机理:
催化剂本身在催化过程中并不发生氧化—还原反应. A M S
A
→ B + ne
M
B
吸附机理分为两类：
1.离子或分子通过电子传递步骤在电极表面上产生化学
H3O+ + M + e (M-H) + H2O
2(M-H) H2+2M
(电子传递）
(M-H) + H3O+ + e H2+M+H2O（电化学吸附） (表面复合）
（2）反应物在电极上进行解离式或缔合式化学吸附，随 后中间物或吸附反应物进行电子传递或表面化学反应。
如甲醛的电化学氧化：
HCOOH+2MM-H+(M-COOH) (M-H) M + H+ + e (M-COOH) M+CO2+ H++e （解离） （电子传递） （电子传递）
相同过电位下，i0越大，反应物浓度越大，催化活性越
好。
i0也是反应物浓度的函数。
反应物浓度越大， i0越大，反应速率也越大。
2.活化能W0
活化能越低，反应在相同电位下速度越快。
3.塔费尔方程式中的斜率b(反应速度和过电位的关系)
2.3RT 2.3RT lg i0 lg ia a b lg ia nF nF 2.3RT 2.3RT k lg i0 lg ik a b lg ik nF nF
高催化活性：加速所需的电化学反应，抵制不需要 的或有害的副反应； 成本低廉、易得、具有安全性。
四、电极的催化活性的判据
1.交换电流密度i0
a b i0 nFka C ACB expnFE RT i0 expnF a RT a A b B
i0 nFkk C C exp nFE RT i0 expnF k RT