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电化学发展现状及展望姓名：陈博洋专业：材料物理学号：2015302662摘要：电化学是研究电与化学反应相互关系的科学，其在诸多科学领域都得到了广泛的应用，本文由此介绍了当今电化学的发展现状及其在我们日常生活的应用，总结其发展特点并对其未来的发展提出了展望。关键词：电化学工业；电解；金属腐蚀防护；生物电化学；燃料电池引言伴随当今科技的发展，不仅电化学理论和电化学方法不断创新，而且在应用领域，如化学工业能源材料科学和环境保护等方面同样也占有越来越重要的地位，燃料电池在发电及汽车工业的应用以及生物电化学这一新领域所取得的突出成绩都是比较典型的例子，因此应强调重视电化学新体系的研究，以面对未来能源、材料、生命、信息和环境对电化学技术的挑战.一、现代发展回顾20世纪后五十年，在电化学的发展史上出现了两个里程碑：Heyrovsky因创立极谱技术而获得1959年的诺贝尔化学奖，Marcus因电子传递理论而获得1992年的诺贝尔化学奖。20世纪后五十年，继20年代极谱技术创立之后，电化学系统地发展了现在称之为传统电化学研究方法的稳态和暂态技术，尤其是后者，为研究电界面结构和快速的界面传荷反应打下基础。但是，因为缺乏分子水平和原子水平的微观实验事实，电化学理论仍旧停留在宏观、唯象和经典统计处理的水平上。70年代，物理学理论的不断发展为观测微观水平提供了有力的技术手段，例如电化学现场表面光谱技术、使界面电化学的分子水平研究成为可能。80年代出现的以扫描隧道显微镜（STM）为代表的扫描微探针技术，迅速被发展为电化学现场和非现场显微技术，尤其是电化学现场STM和AFM（原子力显微镜），为界面电化学的研究提供了原子水平实验基础。总之，20世纪后五十年，由于上述各种实验技术的发展，促进了电化学由宏观研究逐渐转移到分子和原子微观水平的研究，为这一时期电化学理论和应用一些突破性进展奠定了基础。二、应用概述1）电化学工业电化学在工业上起着相当重要作用，包括电解金属加工与处理电池和燃料电池水和废水处理等方面的应用。氯碱工业――这是世界上最大的电化学工业，它是通过电解食盐水，从而获得氯气和苛性钠的过程氯气用于制备氯乙烯，进而合成得到PVC，还可用作纸浆及纸的漂白剂和杀菌剂。工业中常用的有三种电解池:汞电解池隔板电解池离子选择性电解池。由于氯的腐蚀力和电极本身的氧化，传统碳棒或石墨阳极已经远远不能满足现代工业生产的需求，而由此也催生出了一批新兴的电极材料，例如RuO2涂层的钛电极，RuO2涂层中含有一定量的过渡金属氧化物，如Co3O4等这类阳极几乎不被腐蚀，它的超电势在4～5mV之间，还有一个优点是:不希望出现的析氧副反应已被降到非常低的程度(1%～3%)。该法不需要很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便。常见的方法有以下几种:电解回收——电化学方法可将溶液中的金属离子逐步除去，因此常常可以使一些可以重新利用的金属再生出来。电化学氧化，这是一种较成熟的水处理技术，并日益成为水处理的热点，研究范围涉及处理印染水制药废水制革废水和造纸黑液等。当然除此之外还有微电解法、电解气浮法和电渗析法等新兴方法。2）金属腐蚀与电化学防护钢铁生锈、铜器泛绿、银具变黑等都是材料(通常是指金属)及其结构物，制件与其所处环境介质之间的化学反应或电化学反应所引起的破坏或变质。这类破坏或变质被称之为材料的腐蚀。金属的腐蚀严重破坏了国民经济和国防建设，通过电化学研究金属的腐蚀对于提高我们的生活水平有着重要的意义。按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程。这里着重研究金属腐蚀的电化学防护。电化学保护指的是利用外部电流使金属电位改变以降低其腐蚀速度的防腐蚀技术。按照金属电位改变的方向，电化学保护分为阴极保护和阳极保护两大类。2.1阴极保护阴极保护是一项十分实用有效的防腐蚀技术。无论是牺牲阳极法，还是外加电流法，在工程上都有着很大的应用前景。阳极的研制是阴极保护进展的重要方面。阳极中合金元素的作用机理仍在继续深入研究。这也在一定程度上推动了电化学材料科学的发展。为了降低生产成本，已开始探索利用工业纯原料代替高纯度原料制备牺牲阳极的可能性。在构筑物密集的城市地下实施外加电流阴极保护时，已推广应用深埋阳极，以减小对周围的干扰。阴极保护的应用范围也在继续扩大，为了对付混凝土钢筋的腐蚀问题，阴极保护已作为—项主要的防蚀措施而提出。传统的阴极保护技术只能应用于液体电解质或以此为导电组分的腐蚀环境(如土壤)中，不能控制大气腐蚀和水线以上的腐蚀，因为保护电流不能达到与液体电解质接触的金属表面。这也是电化学防护中亟待解决的问题。2.2阳极保护阳极保护适用于具有活化---钝化转变的体系。它依靠通入阳极极化电流使金属电极电位正移，在表面生成钝化膜，从而减缓了腐蚀。它的特点是：在进入稳定的钝态后，腐蚀速度显著降低，日常运行费用也低，在正常情况下可以达到十分有效的保护；阳极保护时电位分布比较均匀，能够应用于形状较复杂的设备，为了使电位进入稳定钝化区，阳极保护的电位控制要求比较严格，否则可能有增加阳极溶解的危险。阳极保护主要应用在化工设备的防腐蚀。例如碳化塔冷却水箱阳极保护，氨水罐群阳极保护。3）生物电化学生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。生物电催化，它可定义为在生物催化剂酶的存在下与加速电化学反应相关的一系列现象。在电催化体系中，生物催化剂的主要应用有：研制比现有无机催化剂好的，用于电化学体系的生物催化剂;研制生物电化学体系，合成用于生物体内作为燃料的有机物;应用酶的专一性，研制高灵敏的电化学传感器。生物电分析是分析化学中发展迅速的一个领域。利用生物组分，如酶、抗体等来检测特定的化合物，这一方面的研究导致了生物传感器的发展。微电极传感器是将生物细胞固定在电极上，电极把微有机体的生物电化学信号转变为电势。因此微电极传感器在医学中的应用有着非常广阔的前景。人体脑电图肌电图和心电图的分析对检测和处理相关疾病是非常重要的，而所有这些技术都是基于测量人体中产生的电信号。4）化学电源早在1800年Volta利用不同金属与电解质接触所构成的Votal堆电池技术取得实质性进展始于19世纪。1860年法国人Plante首次发明了实用的铅蓄电池并于1882年商品化这种电池至今仍是蓄电池的主导产品之一1868年法国工程师Gleclanche发明了采用NH4Cl水溶液作电解质溶液的锌二氧化锰电池而成为当今使用最广泛的锌锰电池的雏形又称lecclanche这种电池于1888年商品化19世纪末20世纪初镉镍铁镍等碱性蓄电池系列相继问世20世纪90年代电子技术移动通讯事业的进步推动了电池产业和技术的高速发展金属氢化物镍电池锂离子等新型蓄电池系列不断商品化。电动车的发展促进了锌空气锌镍燃料等系列取得突破性进展。随着科学技术的不断进步新的电池系列越来越多。常见的电池种类有锌——二氧化锰电池、铅蓄电池、镍镉电池金属氢化物镍电池、锂电池、锌银电池等。其中锂电池与锌银电池具有非常宽广的发展前景。锂电池使用能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等作正极混和电解液如LiPF6的碳酸乙酯碳酸甲乙酯溶液等作电解质溶液既保持了高电压高容量的优点又具有比能量大循环寿命长安全性能好无记忆效应等特点。可用于通讯便携式电子设备电动车军事航天航海设备。锌银电池是以锌作负极活性物质AgOAg2O作正极活性物质的电池。锌银一次电池适用于小电流连续放电的微型器具广泛用于电子手表照相机微型电子仪器等小型电子器具。锌银蓄电池主要用于军事国防尖端科技领域，如卫星电源航天起动电源导弹用电源鱼雷动力电源、军用歼击机随航应急电源等。三、发展现状及特点1）研究范围不断扩大，研究尺度逐渐深入到分子水平研究的具体体系大为扩展，从局限于固体金属和碳电极等，扩大到许多新材料（例如氧化物、有机聚合物导体、半导体、固相嵌入型材料、酶、膜、生膜等等），并以各种分子、离子、基团对电极表面进行修饰，对其内部进行嵌入或掺杂；从水溶液介质，扩大到非水介质（有机溶剂、熔盐、固体电解质等）；从常温常压扩大到高温高压及超临界状态等极端条件；从对无机物的研究逐渐开始了对有机生命体中电化学体系的研究。随着理论的不断发展，人们逐渐意识到对于电化学的研究不能仅仅停留在宏观、唯象和经典统计处理的水平上，只有通过对微观结构的实验及研究，才能更好的掌握电化学反应的机理。2）技术手段愈来愈先进，研究不断提高和创新以电信号为检测手段的传统电化学研究方法持续朝提高检测灵敏度，适应各种极端条件及各种新的数学处理的方向发展。与此同时，电化学现场（insitu）表面光谱技术（例如紫外可见反射光谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二次谱波、合频光谱等技术）、电化学现场波谱技术，以及非现场（exsitu）的表面和界面表征技术,使界面电化学的分子水平研究成为可能。以扫描隧道显微镜（STM）为代表的扫描微探针技术正得以充分的应用，迅速被发展为电化学现场和非现场显微技术，尤其是电化学现场STM和AFM（原子力显微镜），为界面电化学的研究提供了技术保障，并朝着力求如实地表征电化学体系的方向发展。计算机数字模拟技术和微机实时控制技术在电化学中的应用也正在迅速、广泛地开展。3）学科延伸广，应用范围大当代电化学领域已经比Bockris定义的范围又拓宽了许多。实际上还有学者认为电化学领域更宽。如日本的学者小泽昭弥则认为,电化学涵盖了电子、离子和量子的流动现象的所有领域,它横跨了理学和工学两大方面,从而可将光化学、磁学、电子学等收入版图之中。若从宏观和微观两个角度来理解的话,可以认为,宏观电化学是研究电子、离子和量子的流动现象的科学。微观电化学还可以有广义的和狭义之分,广义的微观电化学是“研究物质的带电界面上所发生现象的科学”,而狭义的微观电化学则是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。四、未来发展方向1）前沿学科电化学研究不断朝着微观方向发展这也促进了界面电化学的不断进步。界面电化学，即电化学界面微观结构，电化学界面吸附，电化学界面动力学和理论界面电化学，主要研究电化学界面微观结构模型的建立，例如原子、离子、分子、电子等的排布，界面电场的形成，界面电位的分布，界面区粒子间的相互作用，电极表面的微结构和表面重建，表面态等的建立，构成了电化学的基础。而对材料合成和加工控制、薄膜技术、材料表征、表面处理、金属腐蚀等方面的研究，也使得电化学材料学科的不断成熟，下表为电化学材料科学主要研究对象及内容。大类子类主要研究内容电极材料阳极材料阴极材料其它电极材料碳材料、氧化物材料、金属材料、聚合物、复合材料等碳材料、氧化物材料、金属材料选择性电极材料、中间电极材料电解材料电解质材料、隔膜材料电解质、快离子导体、隔膜材料电池材料蓄电池、干电池、光电解电池材料,太阳电池、燃料电池材料,贮氢电池材料,锂离子电池材料正极材料、负极材料、电解质、硅材料、半导体、密封材料等表面工程电沉积化学转化膜表面着色涂层与精饰电镀、化学、电泳、电铸阳极化、磷化、发黑电解着色、染色防护性涂层、装饰性涂层电化学加工切削、抛光等电解磨削、电解抛光、电溶蚀、电化学热处理腐蚀与防护腐蚀防护腐蚀、老化、氧化、高温材料阴极防护、阳极保护、缓蚀剂、覆盖材料传感信息材料传感材料信息材料气体传感材料、生物传感材料、湿度传感材料、信息转换材料、电接触材料等2）新兴学科1.光电化学将光化学与电化学方法合并使用，以研究分子或离子的基态或激发态的氧化还原反应现象、规律及应用的化学分支。属于化学与电学的交叉学科。其中光电催化是光电化学的一个重要分支，主要研究半导体光电极在将光能转换为化学能的光电化学电池中，用半导体材料