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电化学——1-绪论(1)

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电化学 绪论
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电化学原理电化学原理 与应用与应用 课程代码 MS05012 课程性质 专业必修课 学时数 48 教材 李荻主编 北京航空航天大学出版社 fileid 20001198 3 3 参考教材 查全性等 电极过程动力学导论 第3版 科学出版社 2002 6 杨辉 卢文庆编 应用电化学 科学出版社 2001 田昭武 电化学研究方法 科学出版社 1984 Electrochemical Methods Fundamentals and Applications by Bard A J Faulkner L R 2003 by JOHN WILEY 工业电解槽 有机电池的设计 制造 隔膜的研制和 选择 如离子交换膜 无机陶瓷膜等 工艺流程的设计与工 艺条件的优化等 有机电分析 采用有机电化学的原理和方法对有机物进行电 分析 由于有机物已达 500万种以上 所以有机电分析的内 容极其广泛 任务十分艰巨 意义也特别重大 如天然产物 生命过程 有机药物 环境污染的分析 监测等方面都有 数不胜数的研究课题 5151 1 3 9 电催化剂设计 电催化是通过电极材料选择性的改进电化学反应 的总速率 使之得到最高产品收率和节省总能耗 的一门科学 其意义在于能提供有较低能量的活化途径 使电 极反应在较低过电位下以较高电流密度进行 高反应活性 高选择性电催化剂的设计和制备与 电极表面的结构和性能密切关联 除了以各种方 法 吸附原子 基团 表面成膜 合金电极等 改变电催化剂的结构和性能的基础研究外 对工 业化规模的电催化剂以及电解池的设计也得到重 视 5252 1 3 10 半导体电化学 人们对半导体电极过程的研究逐步形成了 半导体电化学 一些电极仅在光照时才有电流产生 即半导体 电极 使用半导体电极组成的光电化学电池 是根据光生伏特原理 将太阳能直接转换成电 能的一种半导体光电器件 是伴随着半导体电 化学发展起来的一个崭新的科学研究领域 利用半导体电池实现光电解水制氢 也是太阳 能利用的途径之一 5353 从1839年Becquerel发现氧化铜或卤化银涂 在金属电极上会产生光电现象以来 光电 化学研究倍受关注 20世纪60年代 德国Tributsch发现染料吸 附在半导体上并在一定条件下产生电流的 机理 成为光电化学电池的重要基础 1971年Hond和Fujishima用TiO2电极光电 解水获得成功 开始了具有实际意义上的 光电化学电池的研究 5454 1991年 以瑞士洛桑高等工业学院M Gratzel 教授为首的研究小组 采用高比表面积的纳 米多孔TiO2膜作半导体电极 以过渡金属Ru 以及Os等有机化合物作染料 并选用适当的 氧化还原电解质 研制出一种纳米晶体光电 化学太阳能电池 Nanocrystalline Photo electrochemical Cells 简称NPC电池 5555 这种电池的出现为光电化学电池的发展 带来了革命性的创新 其光电能量转换率 light to electric energy conversion yield 在模拟日光照射下可达7 1 入射光 子 电流转换效率 incident monochromatic photon to current conversion efficiency IPCE 大于80 此后 半导体光电化学电池再次成为研 究热点 5656 1 3 11 环境电化学 电化学方法治理废水 一般无需添加化学药品 设备体积小 占地少 操作简便灵活 污泥量少 后处理极为简单 通常被称为清洁处理法 包括 电凝聚法 电渗析法 电气浮法 磁电解法 微电解法 电氧化法 电还原法 三维电极电化学水处理技术 5757 三维电极电化学水处理技术 三维电极这一概念是在 60年代末期提出的 三维电极又名三元电极 是一种新型的电 化学反应器 也叫粒子电极 或床电极 它是在传统二维电解槽电极间装填粒状或 其它碎屑状工作电极材料 并使装填工作 材料表面带电 成为新的一极 第三极 在 工作电极材料表面能发生电化学反应 5858 也有文献这样定义 三维电极是在电解槽中充填导电性粒子或 者使充填粒子在电解槽中处于流动状态 从 特别设置的主电极供给电流到粒子表面 在 其表面也引起化学反应 这两种定义的实质是一样的 即三维电极 与传统的二维电极相比 能够增加电解槽的 面体比 且可因粒间距小而增大物质移动速 度 提高电流效率和处理效果 5959 通过国内外研究者近 30年的研究应用 目 前三维电极处理重金属废水已经是一项成熟 技术 并且在处理难生化降解的有机废水方面 也 显示了其特有的降解能力 有文献报道应用三维电极处理印染废水其脱 色率达99 以上 此外它也被成功用于处理 含酚 含油 含细菌废水 6060 1 3 12 超级电容器 supercapacitor 超级电容器是一种新型 电化学储能装置 它是 利用高度多孔状电极与 束缚态电解质之间形成 感应双电层原理制成的 电容器 具有法拉级电容量 储 存的能量可达普通铝电 容的2000倍 并且可多 次充放电 6161 超级电容器按储能机理可以分为 2类 采用高比表面积活性炭的电容器的储能机 理是基于碳电极 电解液界面上电荷分离所 产生的双电层电容 double layer capacitance 采用RuO2等贵金属氧化物作电极的电容器 是在氧化物电极表面及体相发生的氧化还 原反应而产生的吸附电容 这种电容被称为 法拉第准电容 6262 超级电容器同时具有较高的能量和功率密度 在大功率脉冲电源 电动车驱动电源等领域 有广泛用途 纳米碳管 carbon nanotubes CNTs 是日本 NEC公司基础研究实验室的电镜专家 Sumio Iijima于1991年发现的一种新型的纳米碳材料 由于其巨大的比表面积和良好的导电性 纳米碳管被认为是超级电容器的理想电极材 料 6363 1 3 13 生物电化学 生物电化学 bioelectric chemistry 应用电学及化学的理论 原理和实验对生命 现象及生物体中发生的电化学 生物化学过 程进行研究的科学 是生物学 化学 电学 相互交叉形成的学科 深入研究生物电化学对认识生命现象的本质 有重要的哲学和科学意义 进一步了解生物 体中复杂的生理和生化过程的电化学机理 也将有利于这些过程的控制 在临床和药物 学上也有重要意义 6464 生物电化学研究内容相当广泛 其主要方面有 1 生物膜电化学 应用电化学的原理和实验技术研 究生物膜在选择渗透 分离 富集 能量转换和信息 传递方面的过程和机理 并加以人工模拟 2 生物体系的能量转换 主要包括对生物太阳能转 换和生物燃料电池的研究 在揭示生命本质 生物生 长机理的同时 还进行开发新电源的研究 3 电化学技术 主要有关于电化学传感器 酶电 极的研究以及对ATP 三磷酸腺苷 电化学合成 电脉 冲促进骨骼生长 电止痛的研究 此外 电化学技术 在医药工程上还有许多应用性研究 如心脏起搏器和 人造心脏所需能源 生物燃料电池 离子选择电极 病原体电化学处理去活化以及抗血栓药物的研究等 6565 电化学应用的发展 在经历了两个世纪以后 电化学科学的发展和成就举世瞩目 无论是基础研究还是技术应用 从理论到方法 都有许多重大 突破 电化学在能源 表面处理 金属腐蚀与防护 化工 冶金 机 械 电子 航空航天 轻工 仪表 医学 材料 有机合成 环境保护等领域获得了广泛应用 电化学科学的发展 推动了世界科学的进步 促进了社会经济 的发展 对解决人类社会面临的能源 交通 材料 环保 信 息 生命等问题 已经作出并正在作出巨大的贡献 6666 作业 电的基础知识 电荷 electric charge 物体如何带电 to be charged 电流 current 库仑定律 Coulomb law 电场 electrostatic field 电场力 electrostatic field force 电场强度 electrostatic field strength 电位 potential 电位差
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