第二章电催化过程

前言电化学的应用举例：(1)电合成无机物和有机物，例如氯气、氢氧化钠、高锰酸钾、己二腈、四烷基铅(2)金属的提取与精炼，例如熔盐电解制取铝、湿法电冶锌、电解精炼铜(3)电池，例如锌锰电池、铅酸电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池(4)金属腐蚀和防护，采取有效的保护措施，例如电化学保护、缓蚀剂、电化学氧化等(5)表面精饰，包括电镀、阳极氧化、电泳涂漆等(6)电解加工，包括电成型(电铸)、电切削、电抛磨(7)电化学分离技术，例如电渗析、电凝聚、电浮离等应用于工业生产或废水处理(8)电分析方法，极谱、pH计等在工农业、环境保护、医药卫生等方面的应用电解和电池已经形成规模庞大的电化学工业。

第二章电催化过程电催化：在电场的作用下，存在于电极表面或液体相中的修饰物（可以是电活性的和非电活性的物质）能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，反应前后修饰物本身不发生变化的一类化学反应。

修饰物即为电催化剂。

电催化与常规化学催化的区别：1、在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的。

因此，在反应过程中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流。

2、在电极催化反应中电子的传递过程与此不同，有纯电子的转移。

电极作为一种非均相催化剂既是反应场所，又是电子的供－受场所，即电催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。

3、在常规化学催化反应中，电子的转移过程也无法从外部加以控制。

在电催化反应过程中可以利用外部回路来控制超电压，从而使反应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈的电解和氧化－还原反应的条件。

电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快慢的依据。

4、在电催化反应中，反应前后的自由能变化幅度相当大。

在大多数场合下，由反应的种类和反应条件就可以对反应进行的方向预先估出。

因此对于电解反应来说，通过改变电极电位，就可以控制氧化反应和还原反应的方向。

第1章 计算及实验原理2.1引言研究MoS 2电催化性能首先需要知道其催化原理及催化性能如何测试。

本章主要从理论模型的计算和实验原理方向进行叙述：(1)介绍基于密度泛函理论的第一性原理，目的在于计算并理解MoS 2材料结构、形貌对于其催化性能的影响，寻找MoS 2电催化活性位点，对于正确设计实验起着必不可少的指导作用。

(2)介绍本文中主要使用的MoS 2电催化剂的制备方法原理，包括液相剥离法、水热法和微波辅助法，主要介绍了各种方法的原理及特点。

(3)介绍MoS 2电催化剂的电化学性能的测试和材料表征测试原理，包括：透射电子显微镜(TEM)、X 射线衍射(XRD)和X 射线光电子能谱(XPS)测试，并探索它们在本课题中的应用。

2.2理论计算为探究MoS 2这种材料对于电化学催化的活性位点，本文采用了基于密度泛函理论(Density Functional Theory ，DFT)的第一性原理计算方法。

第一性原理是指基于量子力学的方法，通过求解薛定谔方程获取多粒子系统的各种参数，如系统总能量、固体能带、热导率、光学介电函数等。

由于多粒子系统的复杂性使得直接求解这一系统的薛定谔方程并不现实。

在计算过程中，通过密度泛函理论近似，将粒子的物理性质用粒子态密度函数描述。

密度泛函理论由Hebenberg 和Kohn 提出，此外Kohn 和Sham 建立了科恩-沙姆(Kohn-Sham)方程[23]，该方程为进行密度泛函理论近似提供基础。

⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=+'-''+==+-∇∑⎰=N i XC KS i i i KS r r r E r r r r d r v r V r E r r V 1i 22)()()(][)()()]([)()()]]([[ϕρδρρδρρϕϕρ其中(2-1)在求解Kohn-Sham 方程时需给出确定的交换关联能，常用方法包括由Kohn 和Sham 提出的局域密度近似法(Local Density Approximation ，LDA)和Perdew 等人提出的广义梯度近似法(Generalized Gradient Approximation ，GGA)。

第二章电催化案例电催化是一种利用电能催化化学反应进行能量转化的技术。

它具有高效、可控、可持续的优势，在能源领域、环境保护领域、化学合成领域等方面有着广泛的应用。

本文将介绍两个电催化的案例，分别是水分解产氢和二氧化碳还原合成甲醇。

水分解产氢是一种重要的能源转化过程，通过电催化可以有效地将水分解为氢气和氧气。

传统的水分解方法需要在高温、高压的条件下进行，能耗较高且操作复杂。

而电催化水分解则可以在常温、常压下进行，并且可以通过控制电流密度和电压来实现氢气产量的调控。

电催化水分解的关键是选择合适的电催化剂。

铂金是一种常用的电催化剂，它能够促进水电解反应的进行，提高反应速率和反应效率。

除了铂金，还有一些过渡金属氧化物、氮化物和磷化物等也表现出了优异的电催化活性。

二氧化碳还原合成甲醇是一种具有重要意义的化学反应，可以将二氧化碳转化为一种高能化学品。

二氧化碳的排放是造成全球变暖和气候变化的主要原因之一，通过将二氧化碳还原合成甲醇可以实现二氧化碳的回收利用。

传统的二氧化碳还原方法需要高温、高压的反应条件，并且需要使用昂贵的催化剂。

而电催化二氧化碳还原则可以在常温、常压下进行，并且可以使用廉价的电催化剂。

一些过渡金属催化剂如铜、银和铁等在电催化二氧化碳还原反应中表现出了较好的活性和选择性。

此外，还有一些金属有机框架材料、二维材料和碳材料等也显示出了良好的电催化性能。

电催化技术在实际应用中面临一些挑战，如低效率、不稳定性和高成本等。

为了解决这些问题，科研人员进行了大量的研究，并提出了一些改进的方法。

一种常见的策略是改进电催化剂的性能，通过设计合成新型的电催化剂，提高其活性和稳定性。

另一种策略是优化反应体系，如调控电流密度、电极表面形态和反应条件等，以提高电催化反应的效率。

此外，还可以结合其他技术，如光催化、热催化和生物催化等，来实现复合催化，提高电催化系统的整体性能。

总的来说，电催化是一种非常有前景的能源转化技术，可以在能源领域、环境保护领域和化学合成领域等方面发挥重要作用。

电催化过氧化氢还原电催化过氧化氢还原（Electrocatalytic Reduction of Hydrogen Peroxide）是一个在能源转换和储存、化学合成、以及环境科学等领域具有广泛应用的化学过程。

该过程涉及到在电极表面，过氧化氢（H2O2）被还原为水（H2O）和氧气（O2）的反应。

这个过程可以被看作是一个氧还原反应（ORR）的特例，其中过氧化氢作为氧源。

一．反应机理电催化过氧化氢还原通常涉及以下步骤：１．过氧化氢吸附：过氧化氢分子首先吸附在催化剂的活性位点上。

２．电子转移：在电极上，过氧化氢接受电子，被还原为水和氧气。

３．产物脱附：生成的水和氧气从催化剂表面脱附，从而完成催化循环。

二．催化剂为了提高过氧化氢还原的效率，需要高效的催化剂。

铂（Pt）和铂基材料是常用的催化剂，因为它们对过氧化氢还原具有较高的活性。

然而，铂基催化剂的稀缺性和高成本限制了其在大规模应用中的使用。

因此，研究人员正在积极寻找替代催化剂，如过渡金属氧化物、硫化物和氮化物等。

三．应用电催化过氧化氢还原在多个领域具有潜在的应用价值：１．燃料电池：过氧化氢可以作为燃料电池的氧化剂，与燃料（如氢气或甲醇）反应产生电能。

２．环境科学：过氧化氢可以作为一种环境友好的氧化剂，用于处理废水中的有机污染物。

３．化学合成：过氧化氢可以作为合成反应中的氧化剂或还原剂，用于合成各种有机化合物。

四．挑战与展望尽管电催化过氧化氢还原已经取得了一定的进展，但仍面临一些挑战，如催化剂的活性和稳定性、反应动力学以及能量转换效率等。

未来，随着纳米技术、材料科学和电化学等领域的进一步发展，电催化过氧化氢还原有望在能源转换和储存、环境科学和化学合成等领域发挥更大的作用。

《电催化》教学大纲课程编号：04053900课程名称：电催化英文名称：Electrocatalysis课程性质：专业选修课学时/学分：32 /2考核方式：考试选用教材：《电催化》，孙世刚，陈胜利主编，化学工业出版社，2013年先修课程：基础化学原理，有机化学，物理化学，应用电化学、燃料电池后继课程：能源材料与器件，化学电源设计适用专业及层次：新能源材料与器件专业，大三本科生大纲执笔人：姜鲁华大纲审核人：一、教学目标通过本课程的学习，使学生具备下列能力：1.能够准确理解和掌握电催化基础知识及基本原理2.能够运用电催化理论基础知识进行简单的问题分析3.能够熟悉常用的电催化剂制备方法及其原理4.能够了解常用的原位和非原位电催化剂表征技术5.能够初步学会分析和解决电催化应用领域中各种实际问题二、课程目标与毕业要求的对应关系（表格可以扩展）毕业要求指标点课程目标2．掌握扎实的数学、物理、化学、材料科学等自然科学基础知识与理论； 2.1 掌握电催化/电催化剂相关的化学和材料基础知识和理论；掌握电催化理论的基础知识和基本原理；4.掌握以化学电源、燃料电池或太阳能电池为重点的新能源材料及其器件方面的基本理论知识，以及材料设计4.1 掌握电催化剂的制备方法及相关理论；掌握电极过程动力学和电催化的基本理论知识，和制备、器件组装与测试等方面的实验技能； 4.2 掌握电催化剂评价方法和表征技术。

为材料设计和制备、器件组装与测试奠定基础；5．了解燃料电池新型催化材料与器件领域的前沿信息与发展趋势，以及国内外燃料电池产业的发展战略和动态； 5.1 了解燃料电池电催化剂的前沿信息和发展趋势；5.2 了解前沿的液固界面表征技术。

了解电催化领域的前沿信息与发展趋势，以及国内外涉及电催化反应的新能源产业的发展战略和动态；10．具备在新能源工业中从事生产、设计、研发、教学、咨询、管理和贸易等工作的潜质。

10.1 具备从事电催化材料设计开发的能力。