中科院应化所 电极过程 课件 电化学与电分析基础 ECKeCh

电化学与电分析基础电化学是一门研究电极过程的学科涉及多个方向包括理论分析、仪器开,,发和实际应用本课程将全面介绍电化学基础知识为后续深入学习奠定基,础绪论电化学科学研究领域电化学是研究电化学反应、电电化学广泛应用于材料科学、池、腐蚀等过程的相关原理和能源转换、电化学分析等领域,应用的一门学科在工业和科学研究中都扮演重要角色学习意义掌握电化学基础知识有助于深入理解各类电化学过程为进一步学习和,研究奠定基础电化学的定义广义定义狭义定义电化学是研究电子在化学反电化学主要研究在电极表面应中的转移过程的一门科学发生的氧化还原反应及其相关的一些物理化学过程学科地位电化学作为一门基础学科在化学、材料科学、能源、环境等领域广,泛应用电化学的基本概念电化学过程电池的工作原理电极电位的重要性电化学是研究电子和离子在化学反应中电池通过化学反应产生电子流形成电势不同物质的电极电位是不同的这反映了,,的转移过程它涉及电极、电解质和电差并产生电流这种电子转移过程就是它们在电化学反应中的还原能力这是流的相互作用典型的电化学过程电化学研究的基础之一电化学的研究对象电极过程电化学反应包括电子在电极和电解质之间的转移过程研究电极的性质和电极反应动力学是电化学的重要领域溶液特性电解质溶液的组成、浓度、导电性等对电化学反应有重要影响研究溶液特性有助于理解和优化电化学过程腐蚀过程电化学反应常常涉及金属材料的腐蚀问题研究腐蚀机理和抑制措施是电化学研究的重要应用领域电极电位电极电位是电化学中的重要概念描述了电极表面的电位与参考电极之间的,电势差深入理解电极电位可以帮助我们更好地分析和预测电化学反应的行为电极电位的定义电极电位的概念电极电位的重要性电极电位是一个电极在特定条件下与标准电极的电势差它反电极电位是确定电池电动势、电化学反应的自发性、以及电极映了电极在该环境中的还原能力过程动力学的关键参数电极电位测量标准参比电极1使用标准参比电极可以准确测量电极电位电压测量仪2使用电压表或电位差计可以测量电极电位电解质溶液3测量时需要用含电解质的溶液作为电解质电极电位的测量是基于标准参比电极的电位为基准进行的通过电压测量仪检测待测电极与参比电极之间的电位差即可得到待,测电极的电位值在测量过程中电解质溶液的种类和浓度也会影响测量结果因此需要控制好电解质条件,,标准电极电位-

0.76氢电极在标准状况下的电极电位为伏特0+

0.82铜电极在标准状况下的电极电位为伏特+

0.82-

2.37钠电极在标准状况下的电极电位为伏特-

2.37标准电极电位是用来表示电极在标准状况下的电势其中，氢电极被定义为标准电极，其电位为伏特其他0电极的标准电极电位则相对于氢电极而定标准电极电位的大小反映了电极的还原能力方程Nernst定义计算12方程描述了电极电通过方程我们可以Nernst Nernst,位与溶液浓度之间的关系计算出特定化学反应条件下它为我们理解电化学过程提的电极电位这对实验设计和,供了重要的理论基础分析很有帮助应用3方程被广泛应用于电化学分析、电池设计、腐蚀研究等领Nernst域是电化学研究的核心之一,电池电池是电化学装置通过化学反应产生电能它是电化学研究和应用的基础,也是电化学分析中常用的工具之一下面我们将详细介绍电池的基本原理,和特点电池的基本原理化学反应产生电能正负极材料不同电池通过内部化学反应产生电电池由正极和负极组成两极使,流为电子提供从一极流向另一用不同的化学物质以创造电子,,极的通路流动离子传导连接电极电解质溶液连接正负极使离子在内部流动维持电流循环,,电池的类型一次性电池二次电池燃料电池太阳能电池这类电池通过化学反应产生这类电池可通过充电反向进燃料电池通过氧化还原反应太阳能电池能将太阳光直接电能一次使用后无法再充行化学反应而重复使用通直接将化学能转化为电能转换为电能是一种可再生,,,电常见的例有碳性电池和常称为充电电池如铅酸电无需中间转化过程具有高的清洁能源广泛应用在太,碱性电池池、镍氢电池和锂离子电池效清洁的特点阳能充电设备中电池的电动势电池的电动势是电池两极间的电位差即电池在开路条件下两极间的电位差电池的电动势可以由标准电极电位计算得到也可以通过实验测量得到电池的电动势是电池性能的重要指标决定了电池的输,,,出电压和最大功率电量与电流了解电量和电流的基本概念及测量方法为后续电化学过程的分析奠定基础,法拉第定律电量与电流的关系法拉第定律指出，电化学反应中经过的电量与反应物质的量成正比化学反应与电化学反应电化学反应与化学反应遵循相同的化学计量关系法拉第常数法拉第常数代表每摩尔电子所携带的电荷量F功率与能量功率能量充放电效率电池的功率等于电流乘以电压功率越电池的储能能力由能量密度决定高能量电池在充电和放电过程中会产生一定的,大电池能转化的能量越多对应的能量输密度的电池能够提供更长时间的供电损耗充放电效率高低影响电池的实际使,,,出也越强能量密度大小取决于电池材料及结构用时间提高效率是电池设计的重要目标电量的测定电池容量测试电量积分仪Coulometers通过积分电流随时间的变化来测量电通过连续放电测量电池容量了解电池将电流随时间的积分作为电量的测量,量这种方法精确可靠广泛应用于电的性能和使用寿命这对于电池技术依据可以用于各种电化学过程的定量,,化学分析和电池研究的发展非常重要分析电化学反应动力学电化学反应动力学研究电极过程中的速率决定因素和影响因素为电化学的,应用奠定基础了解电化学反应的动力学特征对于优化电化学过程和设计电化学装置至关重要电化学反应速率影响因素动力学理论电化学反应速率受多种因素影响包括温度、反应浓度、电位电化学反应动力学可用方程描述该方程涉及,Butler-Volmer,、电极材料等这些因素通过改变反应的活化能大小和反应活电极反应的电子转移速率常数、活化能以及反应物浓度等参数性物种的浓度来影响反应速率理解动力学理论有助于预测和控制电化学过程方程Butler-Volmer电化学反应动力学模型涉及正向和反向反应12方程是描该方程同时考虑了电化学反Butler-Volmer述电化学反应速率与电位之应的正向和反向过程间关系的重要模型受过电位影响预测电流电位关系-34电化学反应速率受过电位的方程可用Butler-Volmer影响而发生变化于预测电化学系统的电流-电位曲线过电位概念解释极化现象影响因素过电位指电极电位与平衡电位之间的差当电极发生电化学反应时会出现极化现电极反应动力学,•值它反映了电极发生电化学反应所需象即电极电位偏离平衡电位过电位描,反应物产物浓度•/的额外电压过电位的大小决定了电化述了这种偏离的程度极化分为活化极电极表面状态•学反应的速率和效率化、浓差极化和欧姆极化等温度和压力•极化现象电流极化电流极化指在施加电压时由于电化学反应速度降低而导致的电流减小这可能是由电极过程,或物质传质过程引起的电位极化电位极化是指在恒定电流条件下由于电极反应动力学阻力而导致的电极电位发生变化这反,映了电极动力学过程的速度浓差极化浓差极化是由于反应物浓度降低或生成物浓度升高而引起的电极电位变化它反映了物质传输过程的速度电化学测试技术电化学测试技术是研究电极过程和电池性能的重要手段包括多种分析和表,征方法这些技术可以准确测量电极电位、电流、阻抗等关键参数深入分,析电化学反应动力学电位时间曲线-实时监测分析反应机理检测电极过程电位时间曲线可以实时监测电化学通过分析电位随时间的变化趋势，可该技术广泛应用于电极过程的研究和-反应过程中的电位变化情况，为研究以推断电化学反应的机理和动力学特电池、燃料电池等电化学装置的性能反应动力学提供关键信息征分析电流电位曲线--电流电位曲线应用领域-电流电位曲线是电化学中常用的分析电流电位曲线广泛应用于腐蚀、电沉--技术能够反映电极反应的动力学过程积、化学分析等领域是研究电化学过,,通过记录电流与电位之间的关系可程动力学和机理的有力工具,以观察电极反应的起始电位、限定电流、极大值电流等重要参数电流电位曲线图反映了电极反应的动-力学过程可用于分析电极反应的机理,交流阻抗法原理应用通过测量电化学系统在交流电交流阻抗法广泛用于电池、腐压下产生的交流电流响应可以蚀、电化学传感器等领域对电,,获得有关电化学过程的动力学极过程的动力学、反应阻抗和和电极表面性质的信息电化学界面性质进行深入分析优势该技术灵敏度高、测试条件温和能提供丰富的电化学信息是电化学,,研究的重要工具之一电化学分析技术电化学实验仪器电化学图谱分析电化学光谱分析电化学分析技术需要各种专业的仪器设通过电流电位曲线、循环伏安曲线等电利用电化学与光谱技术的结合可对材料-,备如电位计、恒电位仪、电化学工作站化学图谱可以分析材料的氧化还原行为的表面和内部化学状态进行深入分析如,,,等以确保测试结果的准确性和可靠性、电化学反应机理等电化学莫斯堡谱等,。