电化学研究方法(田昭武著)思维导图

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《电化学》内容，吴辉煌 主编， 化学工业出版社，2006年1月
共有8章 • 固体/电解液界面区的结构与性质 • 电子传递理论 • 电化学催化 • 有机电化学和生物电化学 • 光电化学 • 电化学沉积与微建造技术 • 固态电化学 • 电化学原位实验技术
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《应用电化学》内容
1800 尼克松发明电解水
1833 法拉第定律发现
(戴维/法拉第\\霍普金斯/麦克斯韦)
1870 亥姆荷茨提出双电层概念
1889 能斯特提出电极电位公式
1905 塔菲尔提出塔菲尔公式
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二、电化学发展缓慢（20世纪上半叶）
• 电化学家企图用热力学方法解决一切电化学问题，遭到失败。
• 热力学一、二、三定律，化学平衡理论
• 非平衡热力学 薛定谔/普利高津
“混沌理论（Chaos Theory） ”之父罗伦兹(Edward Lorenz) 四月十六 日在其位于美国麻省的家中逝世，终年九十岁。“混沌理论”是在数学 和物理学中，研究非线性系统在一定条件下表现出的现象的理论。 “一 九六一年冬季的一天，罗伦兹在计算机上进行关于天气预报的计算。为 了考察一个很长的序列，他走了一条捷径，没有令计算机从头运行，而 是从中途开始．他把上次的输出直接打入作为计算的初值，然后他穿过 大厅下楼，去喝咖啡。一小时后他回来时，发生了出乎意料的事，他发 现天气变化同上一次的模式迅速偏离，在短时间内，相似性完全消失了。 进一步的计算表明，输入的细微差异可能很快成为输出的巨大差别”。 提出 “蝴蝶效应（Butterfly Effect）。罗伦兹认为，人类本身都是非线性 的：与传统的想法相反，健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的，而 是混沌的，混沌正是生命力的表现，混沌系统对外界的刺激反应，比非 混沌系统快得多。

可在教师FTP邵元华电分析化学
考试的方式：研究生（卷面80％＋论文报 告 本科生卷面100％（开卷）
Chapter One ( 第一章)
Introduction (导言)
1.1 1.2 Introduction Scope of Electroanalytical Chemistry
1.3
1.4
chemistry concerned with the interrelation of electrical and chemical effects. A large part of this field deals with the study of chemical changes caused by the passage of an electric current and the production of electrical energy by chemical reactions. In fact, the field of electrochemistry encompasses a huge array of different phenomena (e.g., electrophoresis and corrosion), devices (electrochromic displays, electroanalytical sensors, batteries, and fuel cells), and technologies (the electroplating of metals and the large-scale production of aluminum and chlorine). While the basic principles of electrochemistry discussed in this text apply to all of these, the main emphasis here is on the application of electrochemical methods to the study of chemical systems.

《电化学研究方法》ppt课件
目录
• 电化学简介 • 电化学研究方法 • 电化学测量技术 • 电化学研究实例
01 电化学简介
电化学的定义
定义
电化学是研究电和化学反应相互关系的科学，主要研 究电能和化学能之间的相互转化。
起源
电化学起源于18世纪末，随着电池和电解的发展而兴 起。
学科交叉
电化学涉及到物理学、化学和工程学等多个学科领域 。
谱学电化学方法
总结词
谱学电化学方法利用光谱技术来研究电极表面发生的反应，主要包括紫外-可 见光谱、红外光谱、拉曼光谱等。
详细描述
通过这些光谱技术可以获取电极表面反应产物的结构和组成信息，从而深入了 解电极反应过程和机理。谱学电化学方法具有高灵敏度和高分辨率的优点，因 此在研究复杂电极反应过程中具有重要应用价值。
生物系统的电化学机 理探究，如生物电的 产生和作用机制等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
总结词：利用电化学方法研究金 属材料的腐蚀行为，探究腐蚀机 理，评估材料的耐腐蚀性能。
耐腐蚀性能评估，如金属涂层、 缓蚀剂等防腐措施的效果。
实例三：光电化学研究
详细描述
光电转换机理研究，如光生载流 子的分离、传输和收集等；
总结词：利用电化学方法研究光 电转换材料的光电性能，探究光 电转换机理，提高光电转换效率 。
详细描述
通过测量电化学系统的阻抗随正弦波 频率的变化，可以得到系统的等效电 路和相关参数，进而分析电极界面双 电层、电荷转移和扩散过程。
循环伏安法技术
总结词
循环伏安法技术是一种用于研究电化学 反应可逆性和电化学反应机理的方法。
VS
详细描述
通过在电极上施加一系列的电压扫描，可 以观察到电流随电压变化的响应，从而判 断电化学反应的可逆性、反应机理以及反 应产物。

图3.10
此模型的两个主要缺 点是：只考虑了静电 作用没有考虑电解 质浓度的影响；忽略 了第一层(吸附物质)外 物质和电极之间的相 互作用。 可以解释当溶液中支 持电解质高浓度，特 别是在电势差较大的 情况。
3.3.2 Gouy-Chapman Model (1910-1913) (Diffuse double layer model)
之间的正比常数。界面电容表征界面在一定电势扰动下相应的电荷的储存 能力。
q=CV
微分电容Cd (the differential capacity):
Cd E
M
积分电容Ci (the integral capacity): Ci = qM /(E- EPZC )
测量双电层电容的主要方法：(1)Impedance Technique(
半导体电极
图3.1
理想极化电极(The Ideal Polarized Electrode， IPE)：
在一定的电势区间， 没有带电粒子从一相(电解质)转 移到另一相(电极)进行放电，电极电势的改变正好等 于外加电势的变化。 例如：Hg电极在除氧的KCl 溶液中(+0.25 V - -2.1V) 金电极表面修饰单层硫醇。
May 1, 2000; pp. 346 A-352 A (Analytical Chemistry)
Voltammetry Retrospective
Allen J. Bard, University of Texas-Austin and Cynthia G. Zoski, University of Rhode Island Figure 1.5 Basic voltammetry. (a) Apparatus for voltammetry with a two-electrode cell, appropriate for use in solutions of low resistance and microelectrodes. (b) Apparatus for voltammetry with a three-electrode cell. In practice a potentiostat that automatically controls the potential of the working electrode with respect to a reference electrode is used.

J.Butler, M.Volmer: Butler-Volmer 公式1924-1930 P.Delahay, Gerischer, Frumkin, Levich, Baker et al: 1950s to 1960s 发展了各种理论，研究方法等 R.Marcus: 1950s-1960s, Electron Transfer Theory (Nobel Prize Winner, 1992) T.Kuwana: 1960s, 光谱电化学 Gavach, Koryta et al: 1970s 开始研究液/液界面电化学 Miller and Murray: 1975, 化学修饰电极 M.Fleischmann, A.Bewick et al: 1970s to 1980s, in situ 光谱、 波谱电化学 M.Fleischmann, W.Wightman et al: ultramicroelectrodes (UMEs) 1970s - 1980s A.J.Bard: SECM, 1989 Sagiv et al: 1980s, self-assembled membranes P.Hansma et al: STM - Electrochemistry, 1980s
三、电分析化学的发展趋势
四个阶段：
1、初期阶段：方法原理的建立
1801年：W.Cruikshank：发现金属的电解作用和银的 定性分析方法； 1834年：M.Faraday：发表‚关于电的实验研究‛论 文，提出法拉弟定律：Q=nFM； 1889年：W.Nernst：提出Nernst方程； 1922年：J.Heyrovsky：创立极谱学； 1925年：志方益三：制作了第一台极谱仪； 1934年：D.Ilkovic：提出扩散电流理论

5. 消除或减小辅助电极的影响 形状、面积、反应产物、稳定性、位置等；
1.6.2 稳态测量方法
1.6.2.1 稳态过程
1. 稳态过程的意义（构成稳态的条件）
电流通过电极时，在指定的时间内，电化学参量 （极化电流、极化电势、电极表面处的反应物的浓度等） 不变或基本不变。
注意：
(1) 稳态不是平衡态 平衡态是稳态的特例。 平衡态： Zn 2e Zn2 ，j=0， j = j ， e ； 稳态： Zn 2e Zn2 ，j≠0， >j j， ；
iA' iA iB iB'
φ
B
Cd
∆φ
A
C
t i
B C' A'
∆i
A
B' C
t
ic
d
dt
Cd
Cd
( d
dt
) AB
d
dt
BC
Cd
d dt AB
d dt
BC
Cd
B A
T2
C B T2
4Cd
T
所以，
Cd
T i跃
4
（式中T为三 角波周期）
又因为v d 2
4. 给定方式 ① 阶跃法测定稳态极化曲线； 逐点手动法、阶梯波法 ② 慢扫描法测定稳态极化曲线。
1.6.2.3 阶跃法与慢扫描法测定稳态极化曲线
一、阶跃法 包括恒电流阶跃法、恒电势阶跃法。
逐点控制测量极化电流（或极化电势），对应测定电极过程进 入稳态情况下极化电势（或极化电流）。
1. 实验注意事项
线性电势扫描法也是暂态法的一种，ν对暂态极化曲线的形 状和数值影响较大，只有ν足够慢时，才可得到稳态极化曲 线。

➢
电化学研究方法
➢
电化学的实际应用
§1-2电化学的发展历史
➢ 电化学至今已有两百多年的历史(1791-现 在)
➢ 1900年以前为电化学热力学发展与完善阶 段
➢ 1900年以后为电化学动力学发展与逐步完 善阶段
➢ 1960年以后主要为电化学方法发展与电化 学推广应用阶段
电化学发展的重要事件
➢ 1791年伽伐尼 Galvani生物电的发现 ➢ 1799年伏打Volta电堆
➢ 氧化还原反应按照不同机理形式进行时的总反应和 总能量变化相同，但其能量效应和反应动力学规律 不同
电化学反应体系
➢ 实现电化学反应过程所需的特定体系称之为电化学 反应体系----简称电化学体系
➢ 一般电化学体系由电解质溶液、电极和外电路三部 分组成
➢ 电解质溶液（第二类导体----离子导体） ➢ 电极（第一类导体----电子导体） ➢ 外电路（第一类导体----电子导体）
肠本身功能失调外，与外邪入侵亦有密切关系，因感邪性质不同，以及患者体质
差异，可形成表里寒热虚实等不同类型。
❖
虚寒型与脾肾关系密切，胃肠尚无结滞存在，而热结及寒结两型与胃肠关
系密切，肠腑中有典型的结滞存在。
❖
虚寒证用温补法，以大建中汤为代表方；热结证用清下法以大乘气汤为代表
方；寒结证用温下法，以大黄附子汤为代表方。
❖
腹满、寒疝、宿食三病，因其病变部位均在腹部，以胃肠病变为主，
其症状都有腹部胀满或疼痛，有些方药可互为通用，故合篇讨论。
❖
腹满是以症状命名的病证，突出特征即腹部胀满，其症状虽见于多
种疾病之间，病因病机亦较复杂，但本篇作了集中系统的论述，证有寒
热虚实之差异，治有温凉补泻之不同。

本章的介绍可以为相关领域的研究人员提供有益的参考和 借鉴，促进电化学研究方法的交流和应用，推动化学基础知识
电化学基本概念
01
02
03
定义
电化学是研究电和化学反 应相互关系的科学。
组成
电化学由三部分组成，即 电解、电合成和电化学腐 蚀与防护。
应用
电化学在能源、环境、材 料科学等领域有广泛应用 。
强调了电化学研究方法在解决能源危机和环境问题中的重要性和作用，以及在推动可持续发展中的贡献 。
提出了未来电化学研究需要解决的关键科学问题和挑战，包括提高电池能量密度和循环寿命、降低成本 和提高安全性等。
THANKS
感谢观看
现场伏安法
在电极上施加一个扫描电压，同时测量电流随电压的变化，可以用 于研究电极反应的可逆性和反应机理。
现场红外光谱法
通过测量电极表面吸附物种的振动光谱，可以用于研究电极表面的吸 附和反应机理。
04
电化学研究应用
电化学在能源领域的应用
电池技术
利用电化学反应将化学能转化为 电能，用于电动汽车、移动设备 等领域。
影响因素
电极反应的传递性质受电极表面的物理化学性质、反应物在电极表 面的吸附状态以及反应物在电极表面的扩散等因素影响。
研究方法
电极反应的传递性质的研究方法包括实验测定和理论模拟。
03
电化学研究方法
常规电化学研究方法
1 2 3
恒电位法
在电极上施加一个恒定的电压，记录电流随时间 的变化，从而研究电极反应的动力学过程。
组织工程
利用电化学方法促进细胞生长和分化，用于组织修复 和再生医学研究。
05
结论与展望
研究结论
总结了电化学研究方法在能源转换和存储领域的 应用和优势。

仪器分析及实验
——电分析化学部分
周新文
Email: xwzhou@
Office: S3508
电化学分析法
第一节 电化学分析法 概述
一、概述
二、电化学分析法的
类别
三、电化学分析的基
本方法
国内电化学较强的科研单位

电分析化学国家重点实验室 （长春应化所）
（汪尔康 董绍俊）


武汉大学 （査全性）
O E Hg 2Cl/Hg E Hg 2 Cl/Hg 0.059 lg a(Cl )
2
电极内溶液的Cl-活度一定，甘汞电极电位固定。
表4-2-1甘汞电极的电极电位（ 25℃）
0.1mol/L 甘汞电极 KCl 浓度 电极电位（V） 0.1 mol / L +0.3365 标准甘汞电极(NCE) 1.0 mol / L +0.2828 饱和甘汞电极(SCE) 饱和溶液 +0.2438
依据测定电参数分别命名各种电化学分析
方法:如电位分析法、电导分析法； 依据应用方式不同可分为：直接法和间接法。
电化学分析法的特点:
灵敏度、准确度高，选择性好，应用广泛。 被测物质的最低量可以达到10-12 mol/L数量级。 电化学仪器装置较为简单，操作方便,尤其适合于化工 生产中的自动控制和在线分析。
惰性金属电极
电极不参与反应，但其晶格间的自由电子可与溶液进行交 换。故惰性金属电极可作为溶液中氧化态和还原态获得电子 或释放电子的场所。
膜电极:
特点：对特定离子有选择性响应(离子选择性电极)。 膜电极的关键：选择膜(敏感元件)。
敏感元件：单晶、混晶、液膜、高分子功能膜及生物膜。
膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。 将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中，则电池为:

(6.4)
这里s=1/2(dropping or stationary electrode); s=2/3(hydrodynamic
(6.5)
(6.6)
(2) 在溶液中仅有R 1/j = 1/(nFkf[R]b) + 1/(nFkd,O[R]b) Kinetics Transport
(6.7)
k0 >> kd reversible system (可逆体系) k0 << kd irreversible system (不可逆体系)
(6.8)
这里 E1/2= Eo' +RT/(nF) ln kd,R / kd,R
E1/2 称半波电势(half-wave potential), 相应于电流等于 (IL,c + IL,a)/2的电势
如果定义
= (E - E1/2)nF/(RT)
I = IL,a/(1+e-) + IL,c/(1+e) 假设DO =DR, 平衡电势(电流等于0)Eeq= Eo' + RT/(nF) ln[O]b/[R]b
Organic Phase
Aqueous Phase
Organic Phase
图5.15 电荷在支撑在微、纳米玻璃管上的液/液界面 的扩散模式
Chapter Six（第六章） Kinetics and Transport in Electrode Reactions 电极反应的动力学和传质过程
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Introduction The global electrode process: kinetics and transport Reversible reactions Irreversible reactions The general case The effect of the electrolyte double layer on electrode kinetics Electrode processes involving multiple electron transfer Electrode processes involving coupled homogenous reactions