电化学催化简介

二、电化学催化的基本机理
在电极表面发生的多相催化反应
氧化-还原电催化
在溶液中发生的均相催化反应
分类
非氧化还原电催化
1、氧化还原电催化 电化学催化反应过程中，固定在电极表面或存在于电解 液中的催化剂本身发生了氧化—还原反应，吸附过程包 括了电子的转移。
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A：底物；
Ox：催化剂的氧化态；
B：产物； R：催化剂的还原态
目前研究得最多的催化剂载体有各类炭材料和金属氧化物 （例如TiO2）、碳化钨六防纳米单晶、β-MnO2纳米管。
高柔软性、导电性、高空 孔率、高挠曲强度的多孔 质碳纤维纸。 用于燃料电池中气体扩散电 极的基体材料。
非贵金属电催化剂：目前研究中的非贵金属电催化剂主 要有金属氧化物，合金和过渡金属大环化合物等。
合金催化剂
多元催化剂：PtRu2WO3/C 、PtRuW /C等 合金增强型催化剂：多元合金催化剂中添加成分，通常 本身没有催化活性或活性很低，但加到主催化剂（如Pd 或Pt）中形成混合相或合金相后，由于各种协同作用使 催化剂表现出更好的催化性能，包括反应过电位降低、 电流密度增大或稳定性提高等。
燃料电池的电催化剂（Pt/C电极）：
电化学催化的特点： 1、电催化反应的反应动力学与热力学数据都与 电压、电流数据密切相关，可以通过控制外部 电压的方式方便快捷的控制电催化反应的进行， 同时也有利于其相关催化机理的研究。 2、反应主要在电解质溶液中进行。故电极仅限 于金属、半导体等电性材料。体系仅限于电解 质溶液体系（也包括高温时的熔融盐和固体电 解质体系）
对比两种不同不同的氧化还原电催化反应，多相催化反应有几点优势：
⑴通常只涉及简单电子转移反应；
⑵通过比均相催化中用量少得多的催化剂，可在反 应层内提供高浓度的催化剂； ⑶从理论上预测，对反应速度的提高要远超过均相 催化剂；
⑷不需要分离产物和催化剂。
实例：氢气在酸性溶液的析出
H3O+ + M + e- → M-H + H2O（质子放电） M-H + H3O+ + e- → H2+ M + H2O(电化学脱附） 2M-H → H2 + 2M（表面复合） M-H表示电极表面上的氢的化学吸附物种。氧 气和氯气的阳极析出也属于此类反应。

纳米电催化材料按其所处形态可分为零维纳 米质点、二维纳米薄膜、有序分子膜、纳米 线和纳米管等。
具体应用： 1、金属铂微粒和纳米TiO2膜的复合电催化剂
2、碳纳米管负载金属铂催化剂电极 3、金属纳米晶在电催化中应用
三、电催化剂的几个研究方向

贵金属（铂系）电催化剂 DSA尺寸稳定阳极 碳材料载体的运用 非贵金属电催化剂 纳米技术在电催化剂中的运用




贵金属：常用的贵金属催化剂有铂、钯、铑、银、钌等。
它们的d电子轨道都未填满，表面易吸附反应物，且强度 适中，利于形成中间“活性化合物”，具有较高的催化活 性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性。
尺寸稳定电极目前在氯碱、电镀、废水处理中均有较多 的研究和实际应用。 钌铱钛阳极用于氯碱,次氯酸钠,污水处理,海水淡化等。 钽铱钛阳极用于电解生产铜箔,铝箔,铁箔等 钌钛阳极用于烧碱,苛性钾,氯酸钠,次氯酸钠等氯盐电解。
载体的研究： 载体本身对电催化的效能有重要的影响，将贵金属催化剂 沉积分散到良好的载体上，一方面大大提高了催化剂的利 用效率，同时也大大降低了贵金属带来的成本。
自从铂1875开始用于硫酸工业，贵金属投入工业应用已经 有一百多年历史，在诸多工业领域均有应用。在燃料电池 的研究中，电极研究是极其关键的一环。 目前燃料电池中使用的电催化剂主要是Pt/C电极，新型的 其他的合金电极和非贵金属电极也在研究中。
二元催化剂：Pt-Ru/C, Pt-Mo/C, Pt-Sn/C;
2、非氧化还原电催化： 固定在电极表面的催化剂本身在催化过程中并不发生氧 化还原反应，吸附剂通过解离式或缔合式吸附与反应物形 成活性中心。 实例：甲酸的电氧化；氧气和氯气的电还原也属于这一类
COOH + 2M → M-H + M-COOH M-H → M + H+ +eM-COOH → M + CO2 + e-
三、电催化剂的性能
电催化剂在电化学反应中的作用是通过形成 活性中间体来显著降低过电位，提高电流密度 来催化反应。
电催化剂的通性： （1）催化剂具备一定的电子导电性； （2）催化剂具备较好的催化活性； （3）催化剂具备较好的电化学稳定性
影响电催化剂活性的主要因素：
（1）催化剂的结构和性质；
（2）催化剂的氧化-还原电势； （3）催化剂载体的影响（基底电极）；
电化学催化简介
一、电化学催化的定义
电化学催化：在电场的作用下，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。 电催化的目的：降低电化学反应的过电位，寻 求具有较低能量的活化途径，使电极反应在平 衡电势附近以高电流密度发生。
在酸性电解液中，金属卟啉是空气电极最有 希望的催化剂，它能有效促进双氧水分解， 使电池的工作电压提高，增加放电容量。 卟啉的过渡金属配合物是由接近平面结构的 大杂环配体和处于平面中心的过渡金属离子 所组成，其表面具有碱性基团时，可有效促 进分子氧的还原活性。
纳米技术在电催化中的应用
当前，各种重要的电催化领域均使用高分散的金属纳米颗粒作为催化剂，因而 纳米尺寸效应成为该领域的一个重要课题。 纳米金属颗粒电催化的特点有： 首先，纳米颗粒具有不同于块体材料的表面原子排列结构，而表面原子结构直接决 定其电子性质和吸附性能。 其次，由于纳米催化剂颗粒的尺寸与界面双电层的厚度相当，势必会使纳米催化剂 上的双电层结构不同于常规尺度的电化学界面。 与非纳米材料相比"使用纳米电催化材料可大大降低过电位，有效改善电催化性 能，显著提高催化效率，由于催化反应一般是在催化剂的表面进行，因此纳米微 粒的比表面较大是其作为电催化剂非常有利的一个因素。
阳极：单独的Pt（粒径≤5nm） 高度分散于比表面积大的 炭黑（10-30wt%）； 阴极：Pt同Co、Ni、Fe、Cu 等元素构成的二元和多元 合金高度分散于耐氧能力 极佳的乙炔黑，合金化可 以使过电位降低数十mV。
图为大连物化所合成 Pt/C电极的透射电镜 图，平均粒径为3nm
DSA尺寸稳定阳极：又称为催化涂层钛阳极 在Ti板上通过ReO2系金属氧化物与TiO2的固溶体进行热 分解后涂覆于Ti板上 比石墨电极具有更好耐腐蚀性强度和加工性能，价格也 较Pt电极便宜。