電化學(xué)合成技術(shù)與工藝.ppt

1、班級(jí)：應(yīng)化1351 宿舍：6609 組數(shù)：第6組 成員：徐小文 張亮亮 陳曉偉 陳濤 鄧冬冬,電化學(xué)合成技術(shù)與工藝,第七章,Electrochemical Synthesis Technology,電化學(xué)合成概述,CONTENTS,電化學(xué)理論基礎(chǔ),電化學(xué)合成工藝方法,電化學(xué)工程與工業(yè)應(yīng)用,目錄,PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載： PPT背景圖片： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： PPT論壇：,電化學(xué)合成概述,THE BUSENESS PLAN

2、,電化學(xué)合成發(fā)展史,電化學(xué)合成的特點(diǎn),logo,1600 Gilbert（英） 發(fā)現(xiàn)摩擦生電 1791 Galvani （意大利） 發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象 1799 Volta （意大利） 發(fā)明電池 1800 Nicholson - Carlisle（英） 電解水 1807 Davy（英） 電解制堿金屬 1833 Faraday(英） 電解定律 1839 Grove 氫氧燃料電池 1879 Helmholtz (德 ) 雙電層理論 1884 Arrhenius(瑞典） 電離學(xué)說 1900 Nernst（德） Nernst方程 1905 Tafel(德） Tafel方程 1923 Debey(荷蘭)-

3、Huckel(德)離子互吸理論,電化學(xué)合成發(fā)展史,電化學(xué)合成的特點(diǎn),合成體系清潔，產(chǎn)物純度高；可制備高氧化態(tài) 或低還原態(tài)化合物；可選擇性地制備特定價(jià)態(tài) 化合物；可制備一些特殊的物質(zhì)或聚集態(tài)。,較低的溫度下進(jìn)行，能耗降低。反應(yīng)溫度下降，設(shè)備材料的腐蝕，損耗和意外事故減少。可以在低揮發(fā)或者不揮發(fā)反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行。,產(chǎn)物和反應(yīng)物易于回收。電解質(zhì)與活性電化學(xué)媒介是可再生的，對(duì)環(huán)境沒有排放。,電化學(xué)理論基礎(chǔ),電解質(zhì)溶液,電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué),極化過程與動(dòng)力學(xué)方程,電極過程研究技術(shù),電解過程研究技術(shù),電解質(zhì)溶液,03,。,電子導(dǎo)體 （第一類導(dǎo)體）依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電。 例如：金屬、石墨等。 溫度升高， 導(dǎo)電

4、能力下降。,離子導(dǎo)體 （第二類導(dǎo)體）依靠離子定向運(yùn)動(dòng)和電極 反應(yīng)而導(dǎo)電。 例如：電解質(zhì)溶液和熔融電解質(zhì)。 溫度升高，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力增大,導(dǎo)體,電解質(zhì)溶液,。,電解池：電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的裝置,例：電解HCl水溶液,負(fù)極(發(fā)生還原反應(yīng)陰極),正極 (發(fā)生氧化反應(yīng)陽極),電池反應(yīng),電解質(zhì)溶液,導(dǎo)電機(jī)理:,。,陽極(負(fù)極),陰極(正極),電池反應(yīng),電極上得失電子的反應(yīng),溶液中離子的定向遷移,原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,10,電導(dǎo)G、電導(dǎo)率 、摩爾電導(dǎo)率m,電阻:R=(l /A) 單位： 電阻率: = R(A / l) m,1 電導(dǎo):G = 1/R 單位：S(西門子) 2 電導(dǎo)率: = 1/=

5、G(l /A) Sm-1 其中 (l/A)=電導(dǎo)池常數(shù)Kcell (物理意義)：電極面積各為1m2, 兩電極相距1m 時(shí)溶液的電導(dǎo)。 的數(shù)值與電解質(zhì)種類、溫度、濃度有關(guān),11,3.摩爾電導(dǎo)率,在相距為單位距離的兩個(gè)平行電導(dǎo)電極之間，放置含有1 mol電解質(zhì)的溶液，這時(shí)溶液所具有的電導(dǎo)稱為摩爾電導(dǎo)率m ，單位為S.m2.mol-1 m= Vm= /c,Vm是含有1mol電解質(zhì)的溶液的體積，單位為m3 .mol-1， c是電解質(zhì)溶液的濃度， 單位為mol-1 . m3 ， 是電導(dǎo)率， 單位為Sm-1 。,12,電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系,弱電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率隨濃度增加而變大，但變化不顯著,強(qiáng)電解質(zhì)溶液 當(dāng)濃

6、度C5mol/dm3時(shí)，電導(dǎo)率隨著濃度的增加而升高，幾乎成正比關(guān)系。 當(dāng)濃度C5mol/dm3時(shí)，電導(dǎo)率隨著濃度的增加而降低，如H2SO4 和KOH溶液。,c,HCl,KOH,KCl,HAc,LiCl,13,強(qiáng)電解質(zhì)的 m與c的關(guān)系,隨著濃度下降m 升高，很快達(dá)到一個(gè)極限值m，既無限稀釋時(shí)的摩爾電導(dǎo)率，通常當(dāng)濃度降至0.01mol/dm3以下時(shí)， m與c 之間呈線性關(guān)系。德國科學(xué)家Kohlrausch(科爾勞施）總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)式為： m= m（1- .）,是與電解質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。將直線外推至c0，得到無限稀釋摩爾電導(dǎo)率m 。,m,m1/2,NaCl,NaAc,HAc,m,14,電 極 2,H+,

7、離子的遷移數(shù),Cl-,定義 t+=Q+/Q, t-=Q-/Q Q+=z+c+Fu+ Q-=z-c-Fu- Q= Q+Q-= z+c+Fu+ z-c-Fu- 任何電解質(zhì)中：z+c+=z-c-,H+,H+,電 極 1,單位時(shí)間內(nèi)通過溶液某一截面的電量為Q=Q+Q-,溶液中離子的濃度為c+, c-，離子遷移速率u+, u-,能斯特方程式 O + ne R（O：氧化態(tài)粒子R：還原太粒子，n反應(yīng)所涉及的電子數(shù)） 在平衡狀態(tài)下（電子交換、物質(zhì)交換均達(dá)到平衡），電極/溶液界面所建立的電極電位滿足： 其中：平：平衡電位 平0：標(biāo)準(zhǔn)平衡電位 T：絕對(duì)溫度，F(xiàn)：法拉第常數(shù) o，R：氧化 態(tài)，還原態(tài)粒子活度 Ner

8、nst方程是電化學(xué)熱力學(xué)的基石。,電化學(xué)熱力學(xué),2-2 相間電位與電極電位 一.雙電層的形成與種類 1. 帶電粒子在兩相間的遷移：這是由于帶電粒子在兩相中化學(xué)位的不同，引起粒子由高化學(xué)位向低化學(xué)位的遷移現(xiàn)象。 a.兩不同電子導(dǎo)體相相接觸，由于電子在兩相中化學(xué)位的不同而引起的定向遷移，遂在界面形成雙電層。 b.具有不同密度的兩種電解質(zhì)溶液相接觸，離子由高濃度向低濃度遷移，遂在界面形成雙電層。 c.電子導(dǎo)體相與離子導(dǎo)體相相接觸，帶電粒子在兩相間的遷移，遂形成異相界面形成雙電層。,2.帶電粒子或偶極子在兩相界面的定向排列 a.帶電粒子由于特性吸附在溶液一側(cè)形成的表面雙電層。 b.偶極子在溶液一側(cè)的定

9、向排列 c.電子導(dǎo)體相一側(cè)的偶極化 3.由于外電路的作用形成的雙電層（電容） 其中第一類的C及第二、三類雙電層是本課程的研究重點(diǎn)。,二.電化學(xué)位 將一試驗(yàn)電荷（i）自無窮遠(yuǎn)處移入研究相（P）， 所涉及的全部能量變化的稱為試驗(yàn)電荷在研究相的電 化學(xué)位。記作： 試驗(yàn)電荷移動(dòng)過程中涉及的能量變化可分為三部分 （1）試驗(yàn)電荷自無窮遠(yuǎn)處移至研究相附近（10-410-5cm）克服（研究相所帶電荷產(chǎn)生的）外電場(chǎng)所做的功W1。 z：實(shí)驗(yàn)電荷所帶電荷數(shù)， e0：電子電量， ： 研究相外電位,（2）實(shí)驗(yàn)電荷自研究相附近移入相內(nèi)克服表面電場(chǎng)所 做的功W2。 X：研究相表面偶極子分布產(chǎn)生的表面電場(chǎng)。 （3）實(shí)驗(yàn)電荷進(jìn)

10、入研究相克服短程力（化學(xué)作用）所做的功W3。 即實(shí)驗(yàn)電荷在P點(diǎn)的化學(xué)位。 所以有 外電位與內(nèi)表面電位的和又稱之為內(nèi)電位，記作：。,由電化學(xué)位的表達(dá)形式可見，它只是一種特殊的 化學(xué)位。若研究的粒子不帶電荷，則其電化學(xué)位等于 其化學(xué)位。與化學(xué)為一樣，電化學(xué)位是用以判斷粒子 在電化學(xué)體系中是否建立平衡的重要參量，其單位是 能量單位。,三.相間電位差 兩相至接觸相間的存在兩種電位差： 相間內(nèi)電位差： = 1- 2 相間外電位差： = 1-2 相間內(nèi)（外）電位差稱之為電化學(xué)體系的絕 對(duì)電極電位。 注：兩不同相間的內(nèi)電位差不能直接測(cè)量， 而外電位差是可直接測(cè)量。,四.電極電位（相對(duì)） 1電池的電動(dòng)勢(shì) 電池

11、由（I）和（II）兩個(gè)電子導(dǎo)體相和電解質(zhì)相S構(gòu)成。 由此可見電池的電動(dòng)勢(shì)包括相互接觸相的內(nèi)電位差或 外電位差的和。,2.電極電位 將參考電極取代電子導(dǎo)體相與研究電極構(gòu)成電化 學(xué)電池。,若將所有的研究電極系統(tǒng)均與參考電極體系構(gòu)成電池，測(cè)得的其電池電動(dòng)勢(shì)，由上式可知，所有電動(dòng)勢(shì)組成中的后兩項(xiàng)幾乎相等。即電池電動(dòng)勢(shì)的大小取決于第一項(xiàng)的大小。這樣就有可能解決不同相間絕對(duì)電極電位不可直接測(cè)量的問題。,電極電位（相對(duì)）：研究電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極系統(tǒng) （PH2=1atm，H+ =1mol/L）構(gòu)成無液接電池，測(cè)得 該兩電池兩端（相同電子導(dǎo)體相）在無電流通過時(shí)的 內(nèi)電位差，稱之為研究電極的相對(duì)電位，即電極電位。

12、電位的符號(hào)以研究電極在原電池中極性決定。 在實(shí)際應(yīng)用中，由于標(biāo)準(zhǔn)氫電極使用不方便，常 使用第二類金屬構(gòu)成的電極系統(tǒng)稱為參考電極。主要有下列幾種： a. Hg/HgCl2,KCl 甘汞電極 b. Hg/HgO,KOH 氧化汞電極 c Hg/Hg2SO4,H2SO4 硫酸亞汞電極 d. Ag/AgCl,KCl 銀，氯化銀電極 作為參考電極的基本條件：操作簡單、重現(xiàn)性好、可逆性好。,標(biāo)準(zhǔn)氫電極示意圖,電化學(xué)合成工藝簡介,電化學(xué)合成工藝簡介,電化學(xué)合成最基本的研究對(duì)象，是各類電化學(xué)反應(yīng)在“電極溶液”界面上的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，證實(shí)這些反應(yīng)在電化學(xué)體系內(nèi)的反應(yīng)可能性及其機(jī)理?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是反應(yīng)物外層電

13、子的得失，故任何一個(gè)氧化還原反應(yīng)理論上都可以按照化學(xué)和電化學(xué)兩種本質(zhì)不同的反應(yīng)機(jī)理來完成。對(duì)于任何一個(gè)如下式所示的氧化還原反應(yīng)： A+BC+D （1）； 如果通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)上列反應(yīng)，則可以表示為： A+BAB C+D (2) 化學(xué)反應(yīng)過程中A粒子和B粒子通過相互碰撞形成一種活化配合物中間態(tài)-AB，然后轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。,如果式(1)的反應(yīng)在電解裝置中進(jìn)行，則在陰極和陽極分別發(fā)生下列電極反應(yīng)： 陰極反應(yīng) :A+ neC (3) 陽極反應(yīng):B- neD (4) 電化學(xué)總反應(yīng):A+BC+D (5),電極反應(yīng)在電極與溶液之間形成的界面上進(jìn)行。對(duì)于單個(gè)電極而言，電極過程由下列步驟串聯(lián)而成： (1)反應(yīng)物粒子

14、自溶液本體向電極表面?zhèn)鬟f； (2)反應(yīng)物粒子在電極表面或電極表面附近液層中進(jìn)行某種轉(zhuǎn)化，例如表面吸附或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； (3)在電極與溶液之間的界面上進(jìn)行得失電子的電極反應(yīng)； (4)電極反應(yīng)產(chǎn)物在電極表面或電極表面附近液層中進(jìn)行某種轉(zhuǎn)化，例如表面脫附或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； (5)電極反應(yīng)產(chǎn)物自電極表面向溶液本體傳遞。 任何一個(gè)電極過程都包括上述(1)、(3)、(5)三步，某些電極過程還包括(2)、(4)兩步或其中一步。電極過程各步進(jìn)行的速度存在差別，整個(gè)過程由其中最慢的一步控制，稱為“控制步驟”。電化學(xué)合成工藝流程通常包括電解合成前處理、電解合成、電解合成后處理各步，其中電解合成是最重要的步驟。電解合

15、成前后處理與化學(xué)合成相似，通常為凈化、除濕、精制、分離等操作。電化學(xué)合成是一種綠色合成技術(shù)，其突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是無污染或者少污染，因而在三廢處理方面負(fù)擔(dān)輕、投入少。,電化學(xué)合成的研究進(jìn)展和展望,1、合成納米材料（1）石墨層間化復(fù)合物 （2）納米粒子、薄膜、晶體2、合成電極材料3、合成功能材料4、合成超導(dǎo)材料,電化學(xué)合成的應(yīng)用,5、電化學(xué)合成無機(jī)化工原料6、電化學(xué)合成有機(jī)物（2）L一半胱氨酸（1）鄰，對(duì)，間三氟甲基苯甲酸（3）維生素k3,電化學(xué)合成的研究進(jìn)展和展望,電化學(xué)合成的研究近二十年來進(jìn)展迅速，研究領(lǐng)域包括直接電化學(xué)合成、間接電化學(xué)合成、界面修飾電極、反應(yīng)性電極等。除此之外，在下述領(lǐng)域也取得了很大進(jìn)： (1)固體聚合物電解質(zhì)（SPE）在電化學(xué)中的應(yīng)用。SPE是一種高分子離子交換膜，由于其較好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性、優(yōu)良的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，目前逐漸應(yīng)用于氯堿工業(yè)、電解水工業(yè)以及航空航天用燃料電池、核潛艇用氧氣發(fā)生器等領(lǐng)域，使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平取得了革命性的進(jìn)步。,(2)碳載SbPbPt電催化納米材料的最新研究進(jìn)展。電極材料一直是電化學(xué)研究的重點(diǎn)，尋找和研制高活性、高選擇性的新型電催化劑材料具有重要的意義。近年來，在導(dǎo)電載