第八节 电催化剂材料

Re1
Re1 Ox2 Ox2
Re1 Ox2
Ox1
Re2 Re2 Re2
Non-precious metal e.g., Ni and Ag can be used as catalyst
Ox1
Ox1
H2 + 2OH- 2e + 2H2O
1/2O2 + H2O + 2e 2OH4
H2 + 1/2O2 = H2O
电催化与电催化剂材料
原电池
是将化学能转变为电能的装置
e e
-
+
金属锌
Daniel电 池
金属铜Leabharlann Baidu
Energy/Electrochemical Conversion: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Acidic (H+ ) Medium
Re1
Re1 Ox2 Ox2
腐蚀检测、阴极保护、阳极保护等
腐蚀保护
应用前景及存在问题
(1)电化学燃烧，在电解过程中产生强氧化性的物质， 使有机污染物均相或异相地被彻底氧化降解成二氧化 碳和水;
(2)电化学转化，把生物难降解的有机物通过电化学方 法转化为易生物降解的有机小分子或把有毒有机物转 变成无毒有机物
但是，由于电解法处理有机废水的研究还刚刚起步，在该 领域的研究中还存在着许多问题:
电合成
二次能源 传感器和环境监测
无机化学品、有机化学品、金属和合 金、半导体、导电聚合物、复合物等
燃料电池、氧化还原电池、太阳能电 池等 离子选择性电极、电化学传感器、生 物电化学传感器、电化学在线分析等
污染物的电化学处理
金属离子去除、无机和有机污染物的 去除、水体净化、氧化还原剂和其他 试剂的循环利用、大气的电化学净化、 电絮凝等
电催化的优点 ：
（1）无二次污染问题； （2）可控制性较强；
（3）过程中可能产生的自由基无选择地直接与反 应物反应，
（4）能量效率高，反应条件较温和； （5）反应器设备及其操作比较简单；
（6）兼有吸附、絮凝、杀菌作用；
（7）既可以单独处理，又可以与其他处理方法相结合。
在环境污染控制中的应用
应用领域 内容
2、在常规化学催化反应中，电子的转移过程也无法从外 部加以控制。在电催化反应过程中可以利用外部回路来 控制超电压，从而使反应条件、反应速度比较容易控制， 并可以实现一些剧烈的电解和氧化－还原反应的条件。 电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快 慢的依据。
3、在电催化反应中，反应前后的自由电能变化幅度相当 大。在大多数场合下，由反应的种类和反应条件就可以 对反应进行的方向预先估出。因此对于电解反应来说， 通过改变电极电位，就可以控制氧化反应和还原反应的 方向。
影响电催化性能的因素
电催化与常规化学催化的区别
1、在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的 电子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程 中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系 导出电子或获得电流。
在电催化反应中电子的传递过程与此不同，有纯电子 的转移。电极作为一种非均相催化剂既是反应场所， 又是电子的供－受场所，即电催化反应同时具有催化 化学反应和使电子迁移的双重功能。
电催化
• 使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应 的一种催化作用，从而使电极具有电子传递 功能外，还能对电化学反应进行某种促进和 选择。 • 指在电场作用下，存在于电极表面或溶液相 中的修饰物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 物本身并不发生变化的一类化学作用。
电催化的类型及一般原理
Re1 Ox2
Pt as catalyst is necessary
Ox1
Re2 Re2 Re2
Ox1
Ox1
H2 2H+ + 2e
1/2O2 + 2e + 2H+ = H2O H2 + 1/2O2 = H2O
3
Energy/Electrochemical Conversion: Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cell (HEMFC) Basic (OH -) Medium
电催化剂表征
电催化剂的研究进展
• 贵金属催化剂 • 非贵金属催化剂
(1)电解法处理有机污染物的机理探讨还很不充分，不能对 电极的选择、工艺的设计、工艺参数的确立起到具体的理 论指导作用; (2)电流效率仍然很低，经济上不合理。现在研究的电极价 格偏高(主要指各种贵金属电极或钦基电极)，处理过程耗 电量很大，即实用化的电极材料不多，且寿命一般都不长， 因此处理的成本很