中科院應(yīng)化所電極過(guò)程課件電化學(xué)與電分析基礎(chǔ)ECKeCh

電化學(xué)與電分析基礎(chǔ)本課程介紹電化學(xué)的基本原理和應(yīng)用，重點(diǎn)講解電分析化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，為電極過(guò)程研究打下基礎(chǔ)。電化學(xué)的基本概念物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)了解物質(zhì)的原子組成、化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)等，為理解電化學(xué)反應(yīng)奠定基礎(chǔ)。電子轉(zhuǎn)移電化學(xué)的核心是電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，涉及氧化還原反應(yīng)、電子流向、電流變化等。能量變化電化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化，例如熱能、電能的轉(zhuǎn)化和釋放。電化學(xué)反應(yīng)的類型氧化還原反應(yīng)電子從一個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物質(zhì)，發(fā)生氧化和還原過(guò)程。電解反應(yīng)在電場(chǎng)的作用下，電解質(zhì)溶液或熔融鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)。電化學(xué)腐蝕金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生氧化，導(dǎo)致金屬材料的損壞。電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1反應(yīng)速率電化學(xué)反應(yīng)的速率受多個(gè)因素影響，包括電極表面積、反應(yīng)物濃度和溫度。2電極過(guò)程電化學(xué)反應(yīng)通常涉及電子轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳遞和化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)步驟。3過(guò)電位過(guò)電位是指實(shí)際反應(yīng)發(fā)生的電位與理論平衡電位的偏差，反映了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。電池的工作原理1化學(xué)能電池存儲(chǔ)化學(xué)能2電能轉(zhuǎn)換化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流3氧化還原正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并利用電化學(xué)反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電流。電極電位與Nernst方程電極電位電極電位是指電極相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電勢(shì)差，它反映了電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的傾向。Nernst方程N(yùn)ernst方程描述了電極電位與反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度之間的關(guān)系，它可以用于計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)條件下的電極電位。標(biāo)準(zhǔn)電極電位定義在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，電極反應(yīng)的電位稱為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，用E°表示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)298K（25°C），1atm壓力，1mol/L濃度用途判斷反應(yīng)的自發(fā)性，計(jì)算電池電動(dòng)勢(shì)化學(xué)勢(shì)與電勢(shì)化學(xué)勢(shì)化學(xué)勢(shì)是指體系中某種物質(zhì)的自由能變化量，它表示在恒溫恒壓下，體系中加入1摩爾該物質(zhì)所引起的自由能變化。電勢(shì)電勢(shì)是指體系中某一點(diǎn)的電位能，它表示在該點(diǎn)放置一個(gè)單位電荷所具有的能量。關(guān)系化學(xué)勢(shì)與電勢(shì)之間存在密切的關(guān)系，它們可以互相轉(zhuǎn)化。在電化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)勢(shì)的變化會(huì)引起電勢(shì)的變化，反之亦然。電化學(xué)勢(shì)能變化電化學(xué)勢(shì)能變化是電化學(xué)反應(yīng)中重要指標(biāo)，反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)的電化學(xué)勢(shì)能會(huì)發(fā)生變化。電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)1吉布斯自由能電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)以吉布斯自由能變化作為判據(jù)。2電極電位電極電位與吉布斯自由能變化之間存在直接聯(lián)系。3平衡常數(shù)電化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)可以由標(biāo)準(zhǔn)電極電位計(jì)算得出。電極動(dòng)力學(xué)電子轉(zhuǎn)移電極動(dòng)力學(xué)研究電子在電極和溶液之間轉(zhuǎn)移的速率和機(jī)理，涉及電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程和界面現(xiàn)象。界面現(xiàn)象包括電極表面吸附、雙電層形成、溶液擴(kuò)散等，這些因素影響電極反應(yīng)的速率。電極反應(yīng)速率電極動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)是確定電化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)、交換電流密度和極化現(xiàn)象。Butler-Volmer方程電極反應(yīng)速率該方程描述了電極反應(yīng)速率與電極電位和濃度之間的關(guān)系。極化它解釋了電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象，即極化。交換電流密度該方程引入了交換電流密度，它表示平衡狀態(tài)下電極反應(yīng)的速率。電化學(xué)反應(yīng)速率1速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T、活化能Ea和氣體常數(shù)R有關(guān)2過(guò)電位過(guò)電位η是電化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力3交換電流交換電流i0反映了電極表面上的電化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)散與電極過(guò)程1電化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散控制2物質(zhì)傳遞濃度梯度3電極表面反應(yīng)物濃度電化學(xué)反應(yīng)控制反應(yīng)速率電極過(guò)程速率受電荷傳遞、物質(zhì)傳遞和反應(yīng)本身速率的影響。物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞包括擴(kuò)散、對(duì)流和遷移，影響反應(yīng)物的供應(yīng)速度。平衡電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，反應(yīng)速率不再變化，電極電位達(dá)到平衡電位。電化學(xué)測(cè)量技術(shù)電位差測(cè)量法測(cè)量電極電位差，確定反應(yīng)平衡常數(shù)和電極反應(yīng)機(jī)理電位滴定法通過(guò)電位變化監(jiān)測(cè)滴定終點(diǎn)，確定待測(cè)物質(zhì)濃度電流滴定法通過(guò)電流變化監(jiān)測(cè)滴定終點(diǎn)，確定待測(cè)物質(zhì)濃度電位差測(cè)量法1電極電位測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)中電極的電位差2指示電極對(duì)溶液中特定物質(zhì)濃度敏感的電極3參比電極電位穩(wěn)定且已知的電極，用作參考電位滴定法原理利用電極電位變化來(lái)指示滴定終點(diǎn)的方法。根據(jù)電極電位變化，可選擇合適的指示電極和參比電極，并在滴定過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極電位。應(yīng)用電位滴定法可用于測(cè)定各種物質(zhì)，包括酸堿、氧化還原、沉淀等。電流滴定法原理利用電流變化指示滴定終點(diǎn)應(yīng)用測(cè)定還原性或氧化性物質(zhì)電量分析法原理電量分析法是基于電化學(xué)反應(yīng)中電量與物質(zhì)的量之間的定量關(guān)系，通過(guò)測(cè)定電解過(guò)程中消耗的電量來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)的含量。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)的定量分析，例如金屬離子的測(cè)定、有機(jī)化合物的定量分析以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等。伏安法循環(huán)伏安法電位線性掃描，研究電極反應(yīng)過(guò)程差示脈沖伏安法脈沖電位疊加，提高靈敏度，分析復(fù)雜體系方波伏安法方波信號(hào)，高靈敏度，快速分析極譜法1電解電壓在電解過(guò)程中，隨著施加電壓的增加，電解電流也會(huì)增加，但電解電流會(huì)達(dá)到一個(gè)極限值，稱為擴(kuò)散電流。2擴(kuò)散電流該電流的大小取決于被還原物質(zhì)的濃度和擴(kuò)散系數(shù)，與電極的表面積和電解電壓有關(guān)。3極譜圖以電解電流為縱坐標(biāo)，電解電壓為橫坐標(biāo)，繪制出的曲線被稱為極譜圖，通過(guò)分析極譜圖可以獲得被測(cè)物質(zhì)的濃度和性質(zhì)等信息。電化學(xué)阻抗譜頻率響應(yīng)通過(guò)測(cè)量不同頻率下的阻抗，可以獲得電化學(xué)體系的頻率響應(yīng)信息。等效電路模型利用等效電路模型分析阻抗譜，可以揭示電化學(xué)過(guò)程的機(jī)理。電化學(xué)過(guò)程電化學(xué)阻抗譜可以用于研究電極過(guò)程、電解質(zhì)性質(zhì)等。電化學(xué)技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)在材料分析中有著廣泛的應(yīng)用，可用于表征材料的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)以及材料的腐蝕行為、儲(chǔ)能性能、催化性能等。電化學(xué)方法具有靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在材料科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。材料的電化學(xué)表征循環(huán)伏安法(CV)研究電極反應(yīng)的可逆性、反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)電化學(xué)阻抗譜(EIS)探測(cè)電極-電解質(zhì)界面阻抗和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程計(jì)時(shí)電流法(Chronoamperometry)測(cè)定電極反應(yīng)速率常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)腐蝕與防護(hù)腐蝕現(xiàn)象金屬在環(huán)境中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面破壞的現(xiàn)象。防護(hù)措施通過(guò)改變金屬表面狀態(tài)或環(huán)境條件，抑制或減緩腐蝕過(guò)程。電化學(xué)原理腐蝕過(guò)程通常是電化學(xué)反應(yīng)，涉及電子轉(zhuǎn)移和離子遷移。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，可用于各種電子設(shè)備，包括手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車。超級(jí)電容通過(guò)靜電積累儲(chǔ)存能量，具有高功率密度和快速充放電特性，適用于混合動(dòng)力汽車和備用電源。燃料電池通過(guò)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能，使用氫氣或甲醇等燃料，具有高效率和清潔排放優(yōu)勢(shì)，用于移動(dòng)電源和發(fā)電站。電化學(xué)催化反應(yīng)燃料電池電化學(xué)催化劑用于加速燃料電池中的氧化還原反應(yīng)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。二氧化碳還原電催化劑可將CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品，如甲醇和甲烷。水解電化學(xué)催化劑可提高水解反應(yīng)的速率，生產(chǎn)氫氣和氧氣。薄膜電極材料的制備濺射法濺射法利用等離子體轟擊靶材，使靶材原子或離子沉積到基底上，形成薄膜。濺射法具有制備薄膜均勻性好、厚度可控、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)沉積法電化學(xué)沉積法利用電化學(xué)反應(yīng)在基底上沉積金屬或合金薄膜。該方法操作簡(jiǎn)單、成本低、可控性強(qiáng)，適用于制備各種金屬和合金薄膜。溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法利用金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽在溶液中發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，形成溶膠，再通過(guò)干燥和燒結(jié)制備薄膜。該方法可制備多種氧化物薄膜，具有化學(xué)成分可控、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)。原子層沉積法原子層沉積法是一種薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，通過(guò)對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行交替脈沖沉積，在基底上逐層沉積原子或分子，形成薄膜。該方法可制備高度均勻、厚度可控的薄膜，適用于制備各種金屬、氧化物和氮化物薄膜。電化學(xué)傳感器原理利用電化學(xué)反應(yīng)來(lái)檢測(cè)分析物質(zhì)的濃度或活性的傳感器，通常包含電極、電解質(zhì)和測(cè)量系統(tǒng)。類型包括pH傳感器、離子選擇性電極、氣體傳感器、生物傳感器等，應(yīng)用廣泛。優(yōu)勢(shì)高靈敏