世纪电化学和电分析化学赵凯元

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1、21世纪电化学和电分析化学-现代电化学和电分析的最新研究方向和前沿领域主讲人赵凯元2002年12月电化学是重要的边缘科学与电子学、固体物理学、生物学密切相关包括电分析化学、有机电化学、催化电化学、熔盐电化学、固体电解质、量子电化学、半导体电化学、腐蚀电化学、生物电化学以及环境电化学等分支。涉及能源、交通、材料、生命以及环境等重大问题；推动国民经济和尖端科技的发展。其应用已远远超出化学领域：例如精细电合成、金属电冶炼、化学电源、金属腐蚀和防护、表面精饰、电解加工、电化学分离、污染物电化学处理、环境监测、医药卫生、生物分子识别等。现代电化学和电分析的前沿领域。无机、有机电合

2、成、电催化与电活性聚合物-精细特殊化学品电合成；能源电化学：新电源、燃料电池、光、微电池新兴电冶、电镀、表面电精饰、电加工技术绿色电化学：电化学技术处理环境污染物生命电化学：膜-电化学、细胞电化学、免疫电化学光电化学、光谱、声、热、磁电化学等传统的组分分析已达到ppt级各种新型传感器的研制和应用日益深入各种各样的化学修饰电极和微电极使分析检测日益特征化、功能化模拟生物膜体系的电分析技术是认识生命活动最直接的途径光谱及各种波谱电化学可以从原子、分子水平研究生物物质的结构和形成过程纳米电化学和纳米修饰电极实现了分子自组装电化学新能源现代能源：矿物热能、水能、风能、核能、太阳

3、能、转化为电能利用物理电源-将光、热、核、水、风能转化成电能化学电源-化学能直接转化成电能。包括原电池、蓄电池、储能电池、燃料电池目前化学电源的研制方向有：高比能、长寿命、大功率的动力电池；高效率、无污染燃料电池或电站；轻便、高效军用电池；空间探索和海洋开发辅助电源；医疗、电子用的小型和微型电池太阳能电池、光电解水和氢能开发新型电源新型高能电池：银锌电池、镍氢电池、锂电池、锂离子电池、固体电解质电池；燃料电池的特点：燃料化学能直接转化为电能。高能效（60%）、少污染、适用广、易操作；缺点是成本高、寿命短。燃料电池分类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、聚

4、合物电解质膜（SPFC）、碳酸盐熔盐（MCFC）、固态氧化物电解质（SOFC）、甲醇直接氧化燃料电池等燃料电池应用：大规模发电站（100MW）、小型发电站、宇宙空间站、火车和军舰动力、化工生产、污水处理等。太阳能电池（包括硅太阳能电池和液结太阳能电池）光电解水和氢能开发光电解水：如n-SrTiO2︱H2O︱Pt氢能开发：热化学循环制氢：2FeSO4+I2+H2SO4→2HI+Fe2(SO4)3（光解）2HI→I2+H2(热分解708K)Fe2(SO4)3+H2O→2FeSO4+H2SO4+1/2O2（电解）总反应：H2O→H2+1/2O2煤浆电解制氢：阴极：4H++4e

5、→2H2阳极：C（s）+2H2O→4H++CO2+4e总反应：C（s）+2H2O→2H2+CO2电合成电合成特点：1.调节电位、改变电极反应速度（E=40kJ/V，△v=107倍，快速，常温常压，不加热加压）2.控制和选择电位、电极和溶剂，可按希望方向反应（高选择性、付反应少，高收率，高纯度）3.电子作试剂，产物易分离收集，污染少4.电化学参数便于采集，过程易于实现连续自动化生产5.缺点是耗能量大,电解槽结构复杂,生产能力低,难维修无机物电合成简介无机物电解可分为电还原和电氧化两类;电极过程包括：金属电极过程、气体电极过程、电解氧化还原过程、电催化过程重要无机电合成工业

6、：氯碱工业、电解水制氢、制重水、电解法制高锰酸钾、二氧化锰、过氧化氢、高氯酸盐和氯酸盐、铬酸、氧化亚铜、臭氧、氟等，多属于强氧化剂和高活性物质。电催化：电极显著影响电极反应速度，而电极本身不发生净变化的作用。特点是与电极电位有关，受介质和溶剂影响，常在低温下作用。有机电合成简介有机电化学反应特点：有机分子与电极间交换电子，在电极表面生成阴阳离子或其自由基等活泼中间体。两个反应物分子中通常在亲核位和亲电位之间发生反应。为使两个极性相同的基团反应，必须将其中一个的极性反转，而电化学方法就可以将反应物的极性反转，因此有机电合成就成为重要的手段。由于电极的固液界面上生成活泼中间

7、体表现出如下的独特性质：立体定向性，如甲基环己烯的阳极乙酰氧化反应，生成顺式异构体而非热反应的反式异构体；分布特殊性，活泼中间体在扩散离开电极表面前就与试剂反应。例如亚胺阳离子还原成碳阴离子，强酸性介质中被卤代烃烷基化，产率很高，用于生物碱合成。而热化学反应的中间体溶液中均匀分布，酸性介质中则必先质子化。有机电化学反应分类：伴随电子得失常有共价键的形成和断裂，因此反应较无机电合成复杂。按有机反应特点分类：加成（阳极亲核与阴极亲电）、取代（阳极亲核试剂进攻亲电基团，阴极相反）、消除（加成的逆反应）、官能团转换（阳极氧化转换，阴极还原转换）。