中科院应化所电极过程课件扩散传质ECKeCh

中科院应化所电极过程课件-扩散传质-ECKeCh电极过程基础界面现象电极电势电极反应电极过程发生在电极和电解质溶液的界面电极电势是电极与溶液之间电位差，反映电极反应是指在电极表面发生的氧化还原处，涉及电子转移、物质传递和化学反应了电极表面电子能量和溶液中离子能量的反应，包括电子转移和物质传递相对大小传质速率影响因素浓度差温度12浓度差越大，传质速率越快温度越高，分子扩散速率越快，传质速率也越高介质黏度界面面积34介质黏度越低，分子扩散阻力界面面积越大，传质速率越高越小，传质速率越高电化学反应动力学电子转移反应传质过程表面反应电子从电极转移到反应物或反之，影响反应反应物和产物在电极表面和溶液之间传输，反应物在电极表面发生化学反应，影响反应速率决定反应速率速率纳尔斯特方程描述应用描述电化学反应速率和电极电位之间用于分析电化学反应动力学，确定反的关系应速率常数等参数重要性为研究电极过程提供理论基础，指导实验设计和数据分析缓慢电化学过程电子转移1电子转移步骤控制着反应速率活化能2反应需要较高的活化能，导致反应速率较慢电极表面3反应发生在电极表面，表面状态影响反应速率快速电化学过程电极反应速率快1电子传递速度快，反应速率不受传质限制传质速率高2反应物和产物的浓度梯度小，扩散速度快电流密度大3反应速率高，电流密度大，反应效率高扩散传质控制扩散层极限电流影响因素电极表面附近形成的浓度梯度区域，离扩散速度达到最大值时，电流不再增加扩散层厚度、电解质浓度、温度等因素子传输受扩散控制，称为极限电流影响扩散速率极限电流密度浓差扩散浓度梯度分子运动导致物质迁移物质从高浓度区域向低浓度区域移动边界层模型电极反应发生在电极表面和溶液之间电极表面附近存在一个称为边界层的区域，在这个区域内，物质的浓度发生变化，因为物质从电极表面扩散到溶液中边界层模型用于描述物质在边界层内的扩散过程这个模型假设边界层是薄的，且物质在边界层内的扩散是稳定的边界层模型可以用来预测电极反应的速率和电极表面的浓度分布康达克魏尔斯特方程-方程参数解释电流密度j=F*D*C0-Cs/δ•j法拉第常数•F扩散系数•D电极表面浓度•C0溶液本体浓度•Cs扩散层厚度•δ扩散系数测定方法描述旋光法测量物质的旋光度随时间的变化毛细管法测量物质在毛细管中扩散的速度电化学方法测量物质在电极表面上的扩散电流扩散系数的影响因素温度介质粘度12温度越高，扩散系数越大，这介质粘度越高，扩散系数越小是因为温度升高导致分子热运，因为高粘度介质阻碍了分子动加剧，扩散速率加快运动溶质性质3溶质的分子大小和形状也会影响扩散系数分子越小，越容易扩散；分子形状越规则，扩散系数越大电导率定义单位电导率反映电解质溶液导电能力常用单位为西门子每米（）或S/m，表示单位距离下单位截面积的毫西门子每厘米（）mS/cm电阻的倒数影响因素电解质浓度、温度、溶剂性质等因素都会影响电导率电导率测定12电导率仪电极测量溶液电导率的仪器浸入溶液中测量电阻的金属片34标准溶液温度校准电导率仪的已知电导率溶液温度会影响电导率，需要控制温度电导率的影响因素溶液浓度温度离子类型溶液中离子浓度越高，电导率越大温度越高，离子迁移率越高，电导率越大不同离子具有不同的迁移率，影响电导率电容电容是电极与电解质溶液界面存储电它反映了电化学双电层的储能特EDL荷的能力性，与电极材料的性质和电解质溶液的浓度有关电化学反应路径电子转移反应物和产物之间电子传递过程电子转移速率受电极材料、电解质性质、反应温度等影响物质迁移反应物和产物在电极表面和溶液之间扩散和对流运动过程，受浓度梯度、电场强度、溶液流动等因素影响化学反应电子转移和物质迁移完成后，反应物发生化学转化，生成产物，受反应动力学、化学平衡等因素影响电化学循环伏安法电极反应机理1解析电极反应过程动力学参数2提取反应速率常数等电化学性质3研究电极材料性能电化学阻抗谱交流信号施加1在电极上施加小幅度交流电压信号电流响应测量2测量电极电流对交流电压信号的响应阻抗谱分析3分析交流电压信号和电流响应之间的相位差和幅度比拟合等效电路模型等效电路模型参数提取利用电化学阻抗谱数据，可以拟合等效电路模型来分析电极过程通过拟合，可以提取电极过程的电阻、电容、扩散系数等关键参动力学参数数电极动力学参数提取电荷传递速率常数电极表面积电极材料的电化学性质123通过拟合阻抗谱数据，可以得到电荷电化学方法可以测定电极的有效表面通过分析阻抗谱数据，可以得到电极传递速率常数（），反映了电极积，用于评估电极的活性材料的电化学性质，如电子电导率、k0反应的快慢程度离子电导率等电极反应机理分析循环伏安法电化学阻抗谱数学模型研究电极反应过程，确定反应步骤、电子转揭示电极反应的动力学信息，分析传质、电建立数学模型模拟电极反应，预测反应行为移数等关键参数荷传递和反应过程，优化实验设计结论与展望本课程深入探讨了电极过程中的扩散传质现象，涵盖了传质速率影响因素、边界层模型、扩散系数测定以及电导率和电容的分析方法展望未来，电极过程的研究将继续深入，着眼于以下几个方面开发新型电极材料，提高传质效率，降低电化学反应阻抗•探索新型电化学反应体系，促进能源转换效率的提升•应用先进的表征技术，更深入地揭示电极过程机理•。