第1章 电化学中的电催化机理与电催化电极简介
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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。
2021/3/10
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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
2021/3/10
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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；
2021/3/10
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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
2021/3/10
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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
2021/3/10
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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。
《电化学催化》课件
电化学催化的基础知识
1 电化学过程的基本概念
2 催化反应的基本原理
了解电化学过程的基本概念，例如电极 反应、离子迁移和电流密度等。
探究催化反应的基本原理，如催化剂吸 附、活化能降低和反应速率等。
原位研究电化学催化反应Fra bibliotek1原位研究的技术与方法
了解原位研究电化学催化反应的现有技术与方法，如电化学原位红外光谱和原位 电子显微镜等。
2 电化学催化的应用于水分解制氢
了解电化学催化在水分解制氢中的作用，包括催化剂的设计和电解过程的优化等。
结论
电化学催化的发展趋势
展望电化学催化的未来发展方向，包括新 型催化剂的设计和先进研究技术的应用。
电化学催化研究的挑战和未来展 望
探讨电化学催化研究面临的挑战，并展望 未来在可持续能源转换方面的应用。
《电化学催化》PPT课件
欢迎使用《电化学催化》PPT课件! 在此课程中，我们将深入探讨电化学催化 的基本概念，应用领域和研究进展，从而为您打开电化学催化的奇妙世界。
简介
什么是电化学催化
电化学催化研究电化学过程中催化剂的作用机制，以促进反应速率或调控产物选择性的科学 领域。
电化学催化的应用领域
电化学催化广泛应用于能源转换、环境保护、电化学合成和生物电化学等领域。
2
原位研究的应用案例
探索原位研究在电化学催化领域中的应用案例，如催化剂失活机制的研究和催化 反应中的界面现象等。
电化学催化剂的设计和合成
催化剂的种类
了解不同类型的电化学催化剂，如金属催化 剂、有机催化剂和生物催化剂。
催化剂的设计和合成方法
学习电化学催化剂的设计和合成方法，如原 位合成、溶液合成和纳米材料制备等。
电化学催化原理
电化学催化原理
电化学催化原理是通过电化学反应中电流与电势之间的关系，实现催化剂对化学反应速率的影响。
在电化学催化过程中，催化剂在电极表面提供活性位点，使得反应物可以在较低的能垒下发生反应。
具体而言，电化学催化涉及两个基本步骤：吸附和反应。
吸附是指反应物分子在催化剂表面以吸附的形式与催化剂相互作用。
吸附分为物理吸附和化学吸附两种形式。
物理吸附是反应物分子与催化剂之间相对较弱的相互作用，而化学吸附则是通过化学键形成强有力的吸附作用。
反应发生在吸附的基础上。
在电化学催化过程中，电子转移是催化反应的核心。
通过电极施加的电势差，可以调控催化剂表面的电子状态，从而影响反应的进行。
催化剂可以通过给出或接收电子来改变反应物的电荷状态，从而促进反应的进行。
电化学催化过程的效果在很大程度上取决于催化剂的活性和特异性。
活性是指催化剂表面提供的吸附位点的数量和吸附能力，而特异性则是指催化剂对某一反应物的选择性。
此外，催化剂的形态和晶体结构也会对反应进行调控。
总的来说，电化学催化原理通过调控催化剂表面的活性位点，以及电子转移过程中的电势差，实现对化学反应速率的控制。
这种催化方式在能源转换、环境保护和有机合成等领域具有重要应用价值。
电催化氧化技术ppt课件
常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
35
（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 程，对催化过程不做任何贡献；
——催化物质负载条件不同只会引起活性组分分散度的变化 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
23
优点：由于DSA类电极的化学和电化学性质能够随着氧 化物膜的材料组成和制备方法而改变，因而能够获得良 好的稳定性和催化活性。 缺点：有效电极面积很小，传质差，导致单位时空处理 效率较低。
24
b. 三维电催化电极 定义：在原有的二维电极之间装填粒状或其他屑状工作
电极材料，致使装填电极表面带电，在工作电极材料表面 发生电化学反应。
b. 半导体化合物：由于半导体的特殊能带结构，其电极/ 溶液界面具有一些不同于金属电极的特殊性质，由于产物不 易被吸附在电极表面，本身电极表面的氧化速率高于一般电 极，因此在电催化问题的研究中，半导体化合物占有特殊重 要的位置。
33
（2） 基础电极
基础电极：也叫电极基质，是指具有一定强度、能够承载催 化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳电极。
20
3.5 光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳 极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的 同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高 了对难降解有机物的催化降解效率。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
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（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 程，对催化过程不做任何贡献；
——催化物质负载条件不同只会引起活性组分分散度的变化 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
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优点：由于DSA类电极的化学和电化学性质能够随着氧 化物膜的材料组成和制备方法而改变，因而能够获得良 好的稳定性和催化活性。 缺点：有效电极面积很小，传质差，导致单位时空处理 效率较低。
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b. 三维电催化电极 定义：在原有的二维电极之间装填粒状或其他屑状工作
电极材料，致使装填电极表面带电，在工作电极材料表面 发生电化学反应。
b. 半导体化合物：由于半导体的特殊能带结构，其电极/ 溶液界面具有一些不同于金属电极的特殊性质，由于产物不 易被吸附在电极表面，本身电极表面的氧化速率高于一般电 极，因此在电催化问题的研究中，半导体化合物占有特殊重 要的位置。
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（2） 基础电极
基础电极：也叫电极基质，是指具有一定强度、能够承载催 化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳电极。
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3.5 光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳 极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的 同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高 了对难降解有机物的催化降解效率。
电催化技术 (Technology of Electrocatalysis)
Na2SO4
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理反应器形式及应用
◎ 电催化技术的优点、局限性及展望
电催化废水处理反应器形式及应用
1. 电催化废水处理反应器形式 电化学反应器种类繁多、结构复杂、丌同的应用领域，所
应用的反应器结构和形式均丌完全一样，其中，反应器结
光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使 阳极収生电催化作用对阳极槽中的有机物迚行催化降 解的同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大 大提高了对难降解有机物的催化降解效率。
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理反应器形式及应用
装置。
阳极：不电池正极相联 阴极：不电池负极相联
根据离子迁秱的方向，又分为：
阴极：是阳离子秱向的一极 阳极：是阴离子秱向的一极
电解NaOH的电解池
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理望
◎ 电催化技术的优点、局限性及展望
电催化电极电解质
电极——指不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 是电化学反应収生的场所。 催化电极——首先应该是一个电子导体，其次要兼 具催化功能，即：既能导电，又能对反应物迚行活 化，提高电子的转秱速率，对电化学反应迚行某种 促迚和选择。
电催化技术
（Technology of Electrocatalysis)
主要内容
电化学催化反应机理..
间接反应： 电极本身并不直接参加电极反应和消耗（惰性电 极或不溶性电极），但对电化学反应的速度和反应 机理有重要影响，这一作用称为电化学催化。
二、电催化概念及特点
电催化作用： 在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修 饰物（电活性的、非电活性的）能促进或抑制在电 极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中 的修饰物本身不发生变化的化学作用。
五、影响电催化性能的因素
A. 电催化剂必须具备的性能 ⑴催化剂有一定的电子导电性：至少与导电材料 充分混合后能为电子交换反应提供不引起严重电 压降的电子通道，即电极材料的电阻不太大。
⑵高的催化活性：实现催化反应，抑制有害的副 反应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快 地中毒失活。
⑶催化剂的电化学稳定性：在实现催化反应的电 势范围内催化表面不至于因电化学反应而“过早 地”失去催化活性。
成纳米材料层，对涉及电化学还原的有机合成反应 具有效率高、选择性好，显著降低能耗的特点。
二、电催化概念及特点
特点： ① 电催化的反应速率不仅由催化剂的活性决定， 而且还与电场及电解质的本身性质有关； ② 由于电催化反应电场强度很高，对参加电化 学反应的分子或离子具有明显的活性作用，使反应 所需的活化能大大降低，因此电催化可在比常规化 学反应低得多的温度下进行； ③ 电催化反应过程中，由于电极催化作用发生 了电极反应，使化学能直接转变成电能，并最终输 出电流； ④ 电催化反应过程一般包含两个以上的连续步 骤，且在电极表面上会生成化学吸附中间物。
B. 电催化活性的主要影响因素 ⑴催化剂的结构和组成
催化剂能改变电极反应的速率，由于催化剂和反 应物之间存在的某种相互作用改变了反应进行的 途径，降低了反应的超电势和活化能。
电化学催化ppt课件
37
② 表面活性物质影响 如：有机酸和醇的加入使氢过电位升高0.1~0.2V， 即使氢的析出速度降低几十倍至几百倍
38
d. 温度的影响
高过电位金属在中等电流密度下，温度每升高1oC， 析氢过电位大约下降2~5mV。
39
2.2.2 H2在金属氧化物催化剂上的析出
H2在金属氧化物电极上析出时，Tafel曲线的斜率 b=30～160mV，低于H2气在金属电极上析出时的数 值，H2气在金属氧化物电极上析出的EE机理为：
7
电极反应的催化作用的实现：通过附着在电极表面 的修饰物（典型的多相催化）和溶解在电解液中的 氧化—还原物种（均相的电催化）而发生。
媒介体作用下的电催化，大多数是通过在电极表面修 饰上一层（多层）媒介体，这种修饰电极用于电化学 分析能降低催化反应的超电势，加快反应速率，提高 分析灵敏度，拓宽线形分析的范围，可有目的地选择 催化剂进行有选择的电催化，提高了分析的选择性。
⑴质子或水分子先在金属氧化物电极上放电，形 成吸附物种。
H 3O e M O M OH H 2O
(酸性介质)
H 2O e M O M OH OH (中性或碱性介质)
⑵吸附物种再在电极表面发生电化学脱附
M OH H 3O e H 2 H 2O M O (酸性介质) M OH H 2O e H 2 M O OH (中性或碱性介质)
35
（3）当有局外电解质存在，电解质总 浓度保持不变时，pH值的变化对析氢 过电位也有较大影响
总浓度为0.3mol/L，j = 10-4A/cm2,汞上的 析氢过电位与pH值的关系
36
（4）在溶液中加入某些物质，如缓蚀剂等
② 表面活性物质影响 如：有机酸和醇的加入使氢过电位升高0.1~0.2V， 即使氢的析出速度降低几十倍至几百倍
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d. 温度的影响
高过电位金属在中等电流密度下，温度每升高1oC， 析氢过电位大约下降2~5mV。
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2.2.2 H2在金属氧化物催化剂上的析出
H2在金属氧化物电极上析出时，Tafel曲线的斜率 b=30～160mV，低于H2气在金属电极上析出时的数 值，H2气在金属氧化物电极上析出的EE机理为：
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电极反应的催化作用的实现：通过附着在电极表面 的修饰物（典型的多相催化）和溶解在电解液中的 氧化—还原物种（均相的电催化）而发生。
媒介体作用下的电催化，大多数是通过在电极表面修 饰上一层（多层）媒介体，这种修饰电极用于电化学 分析能降低催化反应的超电势，加快反应速率，提高 分析灵敏度，拓宽线形分析的范围，可有目的地选择 催化剂进行有选择的电催化，提高了分析的选择性。
⑴质子或水分子先在金属氧化物电极上放电，形 成吸附物种。
H 3O e M O M OH H 2O
(酸性介质)
H 2O e M O M OH OH (中性或碱性介质)
⑵吸附物种再在电极表面发生电化学脱附
M OH H 3O e H 2 H 2O M O (酸性介质) M OH H 2O e H 2 M O OH (中性或碱性介质)
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（3）当有局外电解质存在，电解质总 浓度保持不变时，pH值的变化对析氢 过电位也有较大影响
总浓度为0.3mol/L，j = 10-4A/cm2,汞上的 析氢过电位与pH值的关系
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（4）在溶液中加入某些物质，如缓蚀剂等
第1章 电化学基础介绍
(d)流化床电极反应器
理论耗电量（符号：k）：生成单位质量物质所 需的电量，是电化当量的倒数，即：
1 k K
例题：
1、Ni2++2e- === Ag++e==
Ni Ag
若在电极上通过1F电量，生成 0.5mol金属 Ni，为29.35g 若在电极上通过1F电量，生成 1mol金属 Ag，为107.87g
2、氯气的电化当量是K=1.323g/Ah，则生成1吨氯 气的理论耗电量是多少？
三、 电化学工程中的质量因数（技术经济指标）
1、转化率（Fractional Conversion）
转化率：反应物在电化学反应中转化为产物的比率
（1）间隙反应器：
（2）连续反应器：
转化率取决于反应深度，由反应时间和体积电流 密度决定。电化学反应为异相反应，转化率和单位 体积电化学反应器中的电极面积密切相关。
直流电耗：每单位产量（kg或t）消耗的直流电能。
生成产物的理论耗电量
由于k值基本不变（除非原料及生成反应根本 改变)，影响直流电耗的主要因素是槽电压和电流 效率。降低槽电压和提高电流效率是降低直流电耗 的关键。
7、能量效率
能量效率：生成一定量产物所需的理论能耗与 实际能耗之比。
W理 kE kE w＝ I V I kV kV W
化学电源：时空产率相当于体积比功率，单位时间单位体 积电池的电能产量。 电解槽：时空产率较低。 化学反应器：0.2~1kg/dm3· h； 铜电解冶金： 0.08kg/dm3· h
四、 电化学反应器
1、电化学反应器的基本特征： （1）构成：两个电极和电解质。
（2）类别：电解反应器、化学电源反应器。
电解合成：防止两极产物混合产生的副反应。
nature chemistry 电催化-概述说明以及解释
nature chemistry 电催化-概述说明以及解释1.引言1.1 概述电催化是一种利用电能来促进化学反应的技术，在自然化学领域中有着广泛的应用。
随着能源需求的增加和环境污染的日益严重，研究人员对于高效、可持续的能源转换和环境友好的化学合成方法的需求不断增长。
电催化作为一种绿色、高效的催化技术，在这一领域中展现了巨大的潜力。
电催化的基本原理是利用外加电势来改变化学反应体系的能量和速率。
通过控制电势和电流密度，可以在催化剂的作用下，促进氧化还原反应、水的电解、有机物合成等重要反应。
与传统的热催化相比，电催化具有一些独特的优势，如可实现选择性催化、节约能源和原料、减少有毒副产物生成等。
因此，电催化被认为是能源转换和可持续化学合成领域的重要技术之一。
本文将首先介绍电催化的基本原理，包括电化学反应的基本概念以及在电催化过程中的催化剂设计和反应机理。
接着，我们将探讨电催化在自然化学中的广泛应用，如通过电催化实现高效的电池、电解水制氢和制氧等。
同时，文章还将讨论电催化所面临的挑战和前景，包括催化剂的设计和合成、反应机理的解析、反应条件的优化等方面。
最后，我们将总结研究的主要内容，并展望未来电催化在能源转换和化学合成中的潜在应用。
通过本文的阐述，我们旨在为读者提供对于电催化的基本认识，并展示其在自然化学领域的巨大潜力。
希望本文能够为相关研究提供新的思路和启发，推动电催化技术的进一步发展和应用。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要分为三个部分，即引言、正文和结论。
在引言部分，将对电催化的概念和应用进行简要介绍。
首先，将介绍电催化的基本原理，包括电催化反应机理和相关电化学理论。
其次，将探讨电催化在自然化学中的应用，包括电化学合成、电催化催化剂的设计和电催化在能源转换中的应用等方面。
最后，将讨论电催化领域面临的挑战和未来的发展前景。
在正文部分，将详细介绍电催化的基本原理和其在自然化学中的应用。
具体而言，将从电催化反应的机理、电催化剂的设计和优化以及电催化在能源转换领域中的应用等方面进行探讨。
电催化原理及应用ppt课件
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17
1. 良好的导电性，至少与导电材料（例如石墨、银 粉）结合后能为电子交换反应提供不引起严重电压 降的电子通道，即电极材料的电阻不能太大；
2. 高的催化活性，即能够实现所需要的催化反应， 抑制不需要或有害的副反应；
3. 良好的稳定性，即能够耐受杂质及中间产物的作 用而不致较快地被污染或中毒而失活，并且在实现 催化反应的电势范围内催化表面不至于因电化学反 应而过早失去催化活性，此外还包括良好的机械物 理性质，表面层不脱落、不溶解。
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。
在电场作用下电极表面或液相中的物质促进或抑制 电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液中 物质本身并不发生变化的化学作用。 选用合适的电极材料，以加速电极反应的作用。 所选用的电极材料在通电过程中具有催化剂的作用， 从而改变电极反应速率或反应方向，而其本身并不 发生质的变化。
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7
电催化特点
与常规的催化化学相比
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2. 电解质溶液 电解质溶液对有机物的电化学催化氧化的影响主要
体现在两个方面:（1）电解质溶液的浓度（2）电解质 的种类。 3. 废水的理化性质
同一电极对不同有机物表现出不同的电催化氧化效 率。废水体系的pH值等因素也常常会影响电极的电氧化 效率。 4. 工艺因素
导电金属氧化物电极具有重要的电催
化特性，这类电极大多为半导体材料，实 际上对这类材料性质的研究是以半导体材 料为基础建立的。
电催化过程PPT课件
电催化过程
§2.2 氢电极反应的电催化
❖水溶液是最重要、最常见的电化学体系， 而水溶液中氢的电极过程有时候有益的， 有时候是需要抑制的，无论如何，都需要 研究其电极过程。
电催化过程
§2.2.1氢气析出的电催化
❖基于氢气析出反应的重要性，许多研究者 就电极材料、电解液的选择等对这一反应 进行了广泛的研究。氢析出反应的总过程 一般表示为：
电催化过程
二．氢气在金属氧化物电极上的析出
❖对于氢气的析出反应，还有一大类催化剂 是金属氧化物。
❖氢气在低的超电势下析出时，金属氧化物 具有较高的稳定性。
❖氢气在金属氧化物电极上析出时的Tafel曲 线的斜率b=30-60mv，低于氢气在金属电 极上析出时的数值。
电催化过程
❖对于氢气在金属氧化物电极上析出，日前 普遍接受的是EE机理，即质子或水分子先 在金属氧化物电极上放电形成吸附物种， 然后吸附物种在电极表面发生电化学脱附。
(2)中超电势金属，a值在0.5一0.7v之间，主 要是Fe，Co，Ni，Cu，W，Au等；
(3)高超电势金属，a值在1.0—1.5v之间，主 要有Cd，Hg，Tl，Zn，Ga，Bi，Sn等
电催化过程
氢气在不同金属电极上析出超电位的解释： 取决于M-H结合的强度，强度太小，不
利于电化学反应，强度太大不利于电化学 脱附，所以只有M-H结合强度适中的金属 才具有高的催化析氢性能。
电催化过程
❖上面各步基元反应中，究竟哪一步是限速 环节，各学者的意见并不一致。例如，迟 缓放电理论认为第一步最慢，而复合理论 则认为第二步是限速环节，也有人认为各 反应步骤的速率近似，反应属于联合控制。
❖大量研究表明，上述的反应机理和速度控 制步骤不仅依赖于金属的本质和金属表面 状态，而且随电极电势(或电流密度)、溶液 组成和温度等因素而变化。
§2.2 氢电极反应的电催化
❖水溶液是最重要、最常见的电化学体系， 而水溶液中氢的电极过程有时候有益的， 有时候是需要抑制的，无论如何，都需要 研究其电极过程。
电催化过程
§2.2.1氢气析出的电催化
❖基于氢气析出反应的重要性，许多研究者 就电极材料、电解液的选择等对这一反应 进行了广泛的研究。氢析出反应的总过程 一般表示为：
电催化过程
二．氢气在金属氧化物电极上的析出
❖对于氢气的析出反应，还有一大类催化剂 是金属氧化物。
❖氢气在低的超电势下析出时，金属氧化物 具有较高的稳定性。
❖氢气在金属氧化物电极上析出时的Tafel曲 线的斜率b=30-60mv，低于氢气在金属电 极上析出时的数值。
电催化过程
❖对于氢气在金属氧化物电极上析出，日前 普遍接受的是EE机理，即质子或水分子先 在金属氧化物电极上放电形成吸附物种， 然后吸附物种在电极表面发生电化学脱附。
(2)中超电势金属，a值在0.5一0.7v之间，主 要是Fe，Co，Ni，Cu，W，Au等；
(3)高超电势金属，a值在1.0—1.5v之间，主 要有Cd，Hg，Tl，Zn，Ga，Bi，Sn等
电催化过程
氢气在不同金属电极上析出超电位的解释： 取决于M-H结合的强度，强度太小，不
利于电化学反应，强度太大不利于电化学 脱附，所以只有M-H结合强度适中的金属 才具有高的催化析氢性能。
电催化过程
❖上面各步基元反应中，究竟哪一步是限速 环节，各学者的意见并不一致。例如，迟 缓放电理论认为第一步最慢，而复合理论 则认为第二步是限速环节，也有人认为各 反应步骤的速率近似，反应属于联合控制。
❖大量研究表明，上述的反应机理和速度控 制步骤不仅依赖于金属的本质和金属表面 状态，而且随电极电势(或电流密度)、溶液 组成和温度等因素而变化。
电催化原理及应用PPT课件
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前景
电催化电极不仅具有很好的节能、降耗作用, 而且在电化 学水处理技术中起着极其重要作用, 特别是电化学水处理 技术对有机物具有特殊的降解能力, 因而被水处理界寄予 厚望, 具有非常广阔的应用前景,在环境保护中占有重要的 位置。当前, 新电极材料、膜、电解质、反应器结构等的 研究开发、电化学降解机理的探究是电催化电极与电化 学水处理技术的研究发展趋势。我们相信, 随着对电催化 电极研究的不断深入与电化学理论的不断完善和实验室 研究的不断加强, 电催化电极与电化学水处理技术必将在 工业生产及环境保护领域中发挥更大的作用。
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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。
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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。
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常规催化作用机理
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光合作用中酶参与的催化作用
酶的催化作用过程
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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。
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4. 非金属化合物电极 一般所说的非金属电极是指硼化物、
碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非 金属材料作为电极材料，最大的优势在于 这类材料的特殊物理性质，如高熔点、高 硬度、高耐磨性、良好的腐蚀性以及类似 金属的性质等。
前景
电催化电极不仅具有很好的节能、降耗作用, 而且在电化 学水处理技术中起着极其重要作用, 特别是电化学水处理 技术对有机物具有特殊的降解能力, 因而被水处理界寄予 厚望, 具有非常广阔的应用前景,在环境保护中占有重要的 位置。当前, 新电极材料、膜、电解质、反应器结构等的 研究开发、电化学降解机理的探究是电催化电极与电化 学水处理技术的研究发展趋势。我们相信, 随着对电催化 电极研究的不断深入与电化学理论的不断完善和实验室 研究的不断加强, 电催化电极与电化学水处理技术必将在 工业生产及环境保护领域中发挥更大的作用。
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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。
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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。
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常规催化作用机理
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光合作用中酶参与的催化作用
酶的催化作用过程
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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。
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4. 非金属化合物电极 一般所说的非金属电极是指硼化物、
碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非 金属材料作为电极材料，最大的优势在于 这类材料的特殊物理性质，如高熔点、高 硬度、高耐磨性、良好的腐蚀性以及类似 金属的性质等。
电化学催化反应机理探究
电化学催化反应机理探究电化学催化反应是一种通过电化学方法加速化学反应速率的过程。
它在许多领域都有广泛的应用，例如电池、电解、电解水制氢等。
了解电化学催化反应的机理对于提高反应效率、控制产品选择以及设计更高效的催化剂具有重要意义。
本文将探讨电化学催化反应的机理以及当前的研究进展。
电化学催化反应包括两个主要步骤：电化学过程和催化过程。
首先，通过外加电势将物质氧化或还原形成离子或自由基，这一步骤称为电化学过程。
其次，这些离子或自由基在催化剂的作用下参与进一步的化学反应，形成最终产物，这一步骤称为催化过程。
催化剂在电化学催化反应中起到了至关重要的作用，它能够降低反应的活化能，提高反应速率。
在研究电化学催化反应机理时，一种常用的方法是使用循环伏安法。
该方法通过记录电流和电势之间的关系，可以得到反应的电化学动力学信息。
通过对循环伏安曲线的分析，可以确定反应的电化学机理。
此外，还可以使用原位光谱、原位质谱等技术对催化剂在反应过程中的结构变化进行研究，从而揭示反应机理的细节。
近年来，研究人员在电化学催化反应机理方面取得了许多重要的进展。
以电解水制氢为例，人们一直在寻找高效的催化剂来降低能源转化过程中的能耗。
通过研究Pt、Ir、Ru等贵金属与非贵金属材料的合金化，催化剂的活性得到了显著提高。
同时，人们还通过改变催化剂的形态和晶面结构，调控反应中间体的生成和分解，实现了高选择性的催化反应。
此外，人们还通过纳米材料的设计和制备来改善电化学催化反应。
纳米材料具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，有利于催化反应的进行。
例如，金属纳米颗粒可以通过调控尺寸、形状和表面修饰来控制催化反应的活性和选择性，以此来实现高效的电化学催化。
此外，介孔材料、纳米孔道以及纳米复合材料等也被广泛应用于电化学催化反应中，为催化剂的设计和制备提供了新思路。
尽管在电化学催化反应机理方面取得了诸多进展，但仍有一些挑战需要克服。
例如，由于电化学反应往往在水或有机溶剂中进行，催化剂的长期稳定性是一个难题。
电化学催化反应机理
间接反应： 电极本身并不直接参加电极反应和消耗（惰性电 极或不溶性电极），但对电化学反应的速度和反应 机理有重要影响，这一作用称为电化学催化。
二、电催化概念及特点
电催化作用： 在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修 饰物（电活性的、非电活性的）能促进或抑制在电 极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中 的修饰物本身不发生变化的化学作用。
本质：通过改变电极表面修饰物（或表面状态） 或溶液中的修饰物来大范围的改变反应的电势或反 应速率，使电极不仅具有电子传递功能，还能对电 化学反应进行促进和选择。
二、电催化概念及特点
电催化剂： 电极本体，或构成电极反应表面的其它材料（电
极仅作为电催化剂的基体）
如：新型表面合金电催化剂技术，在碳基底表面形 成纳米材料层，对涉及电化学还原的有机合成反应 具有效率高、选择性好，显著降低能耗的特点。
7.4 电极反应的活化热与活化体积
活化热与活化体积都随反应机理的变化而变化，而 且活化体积变化更加明显，两者都是表征反应机理 的重要参数。他们都是温度的函数。
携手共进，齐创精品工程
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世界触手可及
七、反应动力学参数
交换电流密度与传递系数 电化学反应级数 化学计量数 电极反应的活化热与活化体积
7.1 交换电流密度与传递系数
交换电流密度（i0）： 平衡电位下，氧化反应与还原反应的绝对速度，
即平衡状态下，氧化态粒子与还原态粒子在电极或 溶液界面的交换速度。是反应物浓度的函数。
传递系数α： 电极电位对氧化反应及还原反应活化能的影响
例如在含氧酸的浓溶液，较高电流密度下：
硫酸溶液中 2SO42- 2SO3 + O2 +4e 2SO3 + 2H2O 2SO42- + 4H+
二、电催化概念及特点
电催化作用： 在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修 饰物（电活性的、非电活性的）能促进或抑制在电 极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中 的修饰物本身不发生变化的化学作用。
本质：通过改变电极表面修饰物（或表面状态） 或溶液中的修饰物来大范围的改变反应的电势或反 应速率，使电极不仅具有电子传递功能，还能对电 化学反应进行促进和选择。
二、电催化概念及特点
电催化剂： 电极本体，或构成电极反应表面的其它材料（电
极仅作为电催化剂的基体）
如：新型表面合金电催化剂技术，在碳基底表面形 成纳米材料层，对涉及电化学还原的有机合成反应 具有效率高、选择性好，显著降低能耗的特点。
7.4 电极反应的活化热与活化体积
活化热与活化体积都随反应机理的变化而变化，而 且活化体积变化更加明显，两者都是表征反应机理 的重要参数。他们都是温度的函数。
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七、反应动力学参数
交换电流密度与传递系数 电化学反应级数 化学计量数 电极反应的活化热与活化体积
7.1 交换电流密度与传递系数
交换电流密度（i0）： 平衡电位下，氧化反应与还原反应的绝对速度，
即平衡状态下，氧化态粒子与还原态粒子在电极或 溶液界面的交换速度。是反应物浓度的函数。
传递系数α： 电极电位对氧化反应及还原反应活化能的影响
例如在含氧酸的浓溶液，较高电流密度下：
硫酸溶液中 2SO42- 2SO3 + O2 +4e 2SO3 + 2H2O 2SO42- + 4H+
第一章电化学理论基础全套课件
Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department
工作电极可以是固体也可以是液体，能导电的 固体材料均能作电极。通常根据研.铂电极（Platinum electrode） 这种电极具有化学性质稳定、氢过电位小，而 且高纯度的铂易得到、容易加工等特点，但价格比 较昂贵。
建立合适的电极预处理步骤，保证氧化还原、
表面形貌和不存在吸附杂质的可重现状态
Applied Electrochemistry
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2 辅助电极（Counter electrode，CE）
1.1 电极(electrode)
电极是与电解质溶液或电解质接触的电子 导体或半导体，为多相体系
电化学体系借助于电极实现电能的输入或 输出，电极是实现电极反应的场所
Applied Electrochemistry
Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department
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辅助电极
Applied Electrochemistry
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3.参比电极（Reference electrode，RE）
测量时，参比电极上通过的电流极小，不 致引起参比电极的极化（接近于理想不极化的 电极），参比电极具有已知恒定的电位，为研 究对象提供一个电位标准（相对于参比电极的 电极电势）。