电化学原理

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电化学应用的发展
• 在经历了两个世纪以后 ,电化学科学的发展和成就举世瞩目 ,
• •
无论是基础研究还是技术应用 , 从理论到方法 , 都有许多重 大突破。 电化学在能源、表面处理、金属腐蚀与防护、化工、冶金、 机械、电子、航空航天、轻工、仪表、医学、材料、有机合 成、环境保护等领域获得了广泛应用。 电化学科学的发展 , 推动了世界科学的进步 , 促进了社会经 济的发展 , 对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、 信息、生命等问题 ,已经作出并正在作出巨大的贡献。
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电极过程动力学
电化学的产生和发展 小结
• 2000年前古巴格达电池（Baghdad Cell） • 1799年伏打电堆（A.Volta pile） • 1833年法拉第定律 （Faraday’s Law） • 1950年电极过程动力学 （Frumkin） • 60年代开始量子电化学 (Quantum ) • 90年代开始纳米电化学 (Nano)
•
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•1800年Nichoson和Carlisle进行了电解水研
究； •1800年Brug-natelli进行了电镀银的研究； •1833年Faraday ：法拉第定律(奠定了电化学 研究的基础）；
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1845年左右 Faraday(E)和 Whewell(E)提 出了有关电化学的术语（电极、阴离子、 阳离子、阴极、阳极、电解等）；
电化学原理
Electrochemical Theory
• 课程代码 ：S1073010 • 课程性质：主干必修课 • 学时数：80
• 教材：郭鹤桐、姚素薇。《基础电化学及其测量》化学工
业出版社，2009
• 参考教材： • 查全性等。《电极过程动力学导论》（第3版），科学出 • • • •
版社.2002，6 小泽昭弥[日]。《现代电化学》，化学工业出版社，1995 杨辉,卢文庆编。《应用电化学》，科学出版社，2001 田昭武 。《电化学研究方法》，科学出版社，1984 《Electrochemical Methods Fundamentals and Applications》 /by Bard A. J. , Faulkner L. R., 2003 by JOHN WILEY & SONS, INC. (邵元华 等译)
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• 镀层分类：
– 防护性镀层 – 防护-装饰性镀层 – 功能性镀层 • 耐磨减震镀层 • 热加工用镀层 • 导电性镀层 • 磁性镀层 • 抗高温氧化镀层 • 修复性镀层
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1.3.4 腐蚀和表面防护技术
• 金属表面由于外界介质的化学或
电化学作用而造成的变质及损坏 现象或过程称为腐蚀。腐蚀作用 中最严重的是电化学腐蚀。 • 电化学腐蚀：金属与一种电解质 接触，可能在金属/电解质界面 发生阳极溶解过程（氧化），此 时若有界面上相应的阴极还原过 程配合，则电解质起离子导体的 作用，金属本身为电子导体，构百度文库成一种自发电池，使金属阳极溶 解持续进行，产生腐蚀现象。
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• 伏特对这个问题进行了更深入的研
究，使他发明了伏特电堆，这是历 史上的神奇发明之一。他把许多对 圆形的铜片和锌片相间地叠起来， 每一对铜锌片之间放上一块用盐水 浸湿的麻布片。这时只要用两条金 属线各与顶面上的锌片和底面上的 铜片焊接起来，则两金属端点就会 产生几伏的电压。如果把铜片换成 银片，则效果更好。 这个伟大的 成就是在他达到相当高龄（五十五 岁）时得到的，它立即引起所有物 理学家的欢呼。 1801年他去巴黎，在法国科学院 表演了他的实验，当时拿破仑也在 场，他立即下令授予伏特一枚特制 金质奖章和一份养老金，于是伏特 成为拿破仑的被保护人。
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课程的性质、目的与任务
• 本课程为电化学的基础理论课，是
整个电化学学科的基础。目的是让 学生通过本课程的学习掌握电化学 学科的基本概念、原理及研究方法， 为后续课程的学习奠定基础。
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教学内容
• 电化学基础知识（绪论） • 电解质溶液的性质及理论（第2章） • 平衡的电化学体系（第3章） • 双电层结构及其特性（第4章） • 电极过程动力学（第5-10章）
7.Electroanalysis
8.Journal of Solid State Electrochemistry 9.Journal of Electrochemical Society
10.Solid State Ionics
11.Plating and surface finishing 12.Metal Finishing
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• Division 5, ELECTROCHEMICAL PROCESS ENGINEERING AND TECHNOLOGY 电化学过程与工艺：反应堆的设计
• Division 6, MOLECULAR ELECTROCHEMISTRY
分子电化学：电极过程机理，合成过程 • Division 7, PHYSICAL ELECTROCHEMISTRY 物理电化学：电极过程模型，计算机模拟
第 一 类 导 体 （ 电 子 导 体 -electronic conductor）：依靠电子传送电流。
•
金属，石墨，金属氧化物（eg.PbO2,Fe3O4）等
• 第 二 类 导 体 （ 离 子 导 体 -ionic
conductor）：离子的移动实现导电。
熔融电解质，固体电解质，电解质溶液等
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电化学是研究两类导体形成的带电界 面现象及其上所发生之变化的科学。
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国际电化学学会
International Society of Electrochemistry(ISE)
•Division 1, ANALYTICAL ELECTROCHEMISTRY
分析电化学：分析过程中实验和理论
•Division 2, BIOELECTROCHEMISTRY 生物电化学 •Division 3, ELECTROCHEMICAL ENERGY CONVERSION AND STORAGE 电化学能量转换与储存：能量互变 •Division 4, ELECTROCHEMICAL MATERIALS SCIENCE 电化学材料科学：新型材料的研制
1.3 电化学研究领域简介
1.电化学理论 Theoretical Electrochemistry 2.化学电源 Chemical Power 3.电镀、化学镀 Electroplating, Chemical Plating 4.腐蚀、表面防护技术 Corrosion, Protection 5.工业电解 Electrolysis 6.化学/电化学传感器 Sensor 7.电催化剂设计 Electro-catalyzer
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1780年
“动物电”现象
• 1780年意大利解剖
学家伽伐尼发现: 铁制解剖刀能使铜 盘里的蛙腿肌肉抽 缩， 1791年发表关 于 “动物电”现 象的论文，揭开了 电化学研究的序幕。
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1799年 伏打电堆
伏特 (1745-1827) 出生于意大利 科莫一个富有的天主教家庭里。 伏特在四十五岁生日后不久， 读到了伽伐尼 1791 年的文章，这 促使他去作出了最大的发明和发 现。 他开始还有些犹豫，但不久他 就开始了工作，用伏特的话说， 他实验的内容“超出了当时已知 的一切电学知识，因而它们看来 是惊人的”。 起初他同意伽伐尼用蛙做莱顿 瓶的观点，但几个月后，他开始 怀疑蛙主要是一种探测器，而电 源则在动物之外。
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8. 半 导 体 电 化 学 （ 光 电 化 学 ） Semiconductor
(Photo electronic)
9. 有机电化学 Organic 10.生物电化学 Biological 11.环境电化学 Environmental 12.高温电化学 High Temperature 13.电化学制备的新材料 Preparation new Material – ａ.高功能金属和金属合金 – ｂ.高功能电化学聚合物 – ｃ.电极和电活性物质的分子设计 14.超声电化学 Ultrasonic 15.超级电化学电容器 Super Capacitor
电化学研究对象应当包括三部分： 电子 导体 ， 离子导体 ， 两类导体的界面及其 上所发生的一切变化。
电子导体----物理学----引用结论
离子导体----电解质溶液理论----经典电化学
两类导体界面及变化----近代电化学
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1.2 电化学的产生 和发展
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2000年前
古巴格达电池
“ 巴 格 达 电 池 ” (Baghdad Cell)1936年发现于伊拉克首都巴 格达郊外，是一个小陶罐，罐内 装着铁棒，铁棒悬在铜质圆柱体 内，外层覆盖着沥青。
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相关期刊：
1.Electrochimica Acta 2.Journal of Electroanalytical Chemistry 3.Electrochemistry Communications
4.Bioelectrochemistry Corrosion Science
5.Journal of Power Sources 6.Journal of Applied Electrochemistry
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电动汽车(EV)
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燃料电池
• 美国加利
福尼亚的 燃料电池 发电厂
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1.3.3 电沉积、电镀、化学镀
• 金属电沉积（electrodeposition)过程是指简单金属
离子或络离子通过电化学方法在固体（导体或半导 体）表面上放电还原为金属原子附着于电极表面， 从而获得一金属层的过程。（e.g.电解MnO2) 电镀(electroplating)是金属电沉积的一种，它是用 电化学方法在固体表面沉积一薄层金属或合金的过 程。 电镀不同于一般电沉积的过程在于：镀层必须很好 的附着于物体表面，且镀层均匀致密，孔隙率少。 化学镀是一种不需要外部电源，而靠溶液中的还原 剂使金属离子还原为金属而沉积于制品表面的化学 还原过程。
电池：化学能→电能 电解：电能→化学能
导体 Conductor
Primary Cell
Electrolysis
• 金属腐蚀过程中，一种金属从电解质中置换 • 化学能↔热能 • 电泳现象……
出另一种金属(eg. Fe从CuSO4中置换出Cu)
属于电化学范畴， 但无电能与化学能相互转化
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能导电的物体称为导体。
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第一章 Chapter One
绪论 introduction 电化学的产生及发展概述，1.1～1.4 • 电的基础知识，1.5 • 电化学体系的电传导，1.6 • 法拉第定律(Faraday’s law)。1.7
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1.1 什么是电化学（Electrochemistry）
• “电化学是研究电能和化学能相互转换的科学”。
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•1924 Stern：双电层模型
•1933 Frumkin ： 双电层对电荷移动过程 (活化过程)的影响
•1932-1938 Frumkin和Wagner：混合电位的 速度论研究方法 •1950年 以前 •1950年 以后 •1960年 以后 •1990年 以后 热力学手段研究电极过程 弗鲁姆金 量子电化学 纳米电化学
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1.3.1 电化学理论
• 电极过程动力学 • 电化学测量 • 量子电化学 • 纳米电化学
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电化学噪声分析（EN）
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测定微分电容曲线的装置
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1.3.2 化学电源
化学电源是把化学能转换成电能的装置。 发生空间分开的氧化还原反应，且进行氧化 还原反应所需电子必须由外线路传递。 化学电源对外电路供给能量的过程称为放电 过程，反之称为充电过程。 化学电源按工作性质和储存方式可分为： 一次电池（原电池）primary cell 二次电池（可充电池、蓄电池）secondary cell 储备电池 storage cell 燃料电池 fuel cell
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1879 Helmholtz： 双电层平板电容器模型 1887 Arrhenius ：电离学说 1889 Nernst：电极电位理论，能斯特公式 1905 Tafel： 塔菲尔公式(电流密度与氢过电 位的关系) 1907 Lewis： 活度概念 1923-1924 Butler ：可逆电极电位理论