0.3　電化學技術應用的廣泛性

電化學是一門交叉學科，它研究帶電界面的性質(zhì)，凡是和帶電界面有關的學科，都和電化學有關。電化學是多科際、具有重要應用背景和前景的學科。涉及電化學的領域十分廣泛（圖0-3），其理論方法與技術應用越來越多地與其它自然科學或技術學科相互交叉、滲透。

0.3.1　化學電源

在日常生活中，大至汽車的發(fā)動、輪船的航行與飛船的飛行，小到鐘表的走動，都需要化學電源（圖0-4）。電池發(fā)展的主要動力來自便攜設備（例如移動電話、筆記本電腦、攝錄像機和MP3播放器等）和電動車輛（圖0-5）的快速發(fā)展以及人們對降低大氣污染的要求。包含電動助力自行車和電動汽車在內(nèi)的電動車輛具有污染小、能源利用率高、可實現(xiàn)能源原料的多樣化、降低人類對石化燃料的依賴、噪聲小等特點并早已廣為人知。

我國已成為世界上第一電池生產(chǎn)大國，成績喜人，然而也存在著電池行業(yè)整體缺乏長遠規(guī)劃，技術創(chuàng)新少，電池企業(yè)水平參差不齊，部分落后品種電池產(chǎn)量仍較大，機械自動化水平差，工人生產(chǎn)條件差，污染嚴重，片面追求低成本，資源綜合利用率低，廢舊電池的回收利用率低等問題。

在許多微系統(tǒng)中，電源的重量占了整個體系重量的1/5～1/4。目前所制作的微型飛機總質(zhì)量為一百克左右，而其電源質(zhì)量就高達二十余克。又如現(xiàn)在的一些醫(yī)療手術中，為了探測心臟的血液供給以及心肌狀況，需要將一根光纖插入血管直通心臟，并用大型儀器實時檢測。將來則很可能將只有幾十個微米大小的醫(yī)療機器人直接放入人體血管內(nèi)，它不僅可以實時檢測而且還同時進行治療，如清除淤塞在血管中的血塊等。顯然此時再用人體外的電源通過電線驅(qū)動微機器人是不現(xiàn)實的，因為電線的直徑可能大于微機器人的尺度，因而與微機器人為一體的電源研制將是該項科研嘗試成功與否的關鍵因素之一。若能制作以血液中的糖分等物質(zhì)作為燃料的燃料電池，則有望克服上述困難。總之開發(fā)體積更小、比能量更高的各類微型電池是賦予電化學的又一個重要任務。

燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它不是把發(fā)電的活性物質(zhì)儲藏在電池內(nèi)部，而是把燃料（如H2、CO、甲醇等）不斷注入負極，把O2輸入正極，直接發(fā)電，生成CO2、H2O等產(chǎn)物。燃料電池的發(fā)電效率高，電化學能量轉(zhuǎn)換的綜合效率可達80％。而一般燃料利用，例如煤（或油）燃燒過程通常要靠火力發(fā)電廠的汽輪機和發(fā)電機來完成，需要先經(jīng)過燃燒，把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽俳?jīng)熱機轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｓ捎诙嗖襟E轉(zhuǎn)變過程中的能量損失以及受熱功轉(zhuǎn)換過程中卡諾（Carnot）熱機效率（η）的限制，整個過程的能量轉(zhuǎn)化率小于40％（圖0-6）。

一般燃料 　，效率小于40％

燃料電池　化學能→電能，效率大于80％。

燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、污染小、噪聲低、省水、省地等優(yōu)點，是一種極有前途的高效、節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電方式（圖0-7）。除了發(fā)電以外，燃料電池還被廣泛用于宇航、軍艦動力裝置以及汽車、筆記本電腦、移動電話等。

電化學超級電容器（圖0-8）是介于傳統(tǒng)靜電電容器與電池之間的全新的能量儲存器件，由于其容量密度極大，從而適合工作于要求瞬間釋放超大電流的場合，如可用作電池補充的功率源。特別是雙電層型電容器，除了能提供高的充放電功率密度外，其循環(huán)壽命為105～106次，為傳統(tǒng)電池的102～103倍。

0.3.2　金屬的腐蝕與防護

全世界每年由于金屬腐蝕所遭受的損失嚴重，其中以電化學腐蝕所占的比重最大，因此研究產(chǎn)生腐蝕的原因及金屬保護措施就成為電化學研究的重要內(nèi)容之一。

將金屬置于大氣中，在金屬表面就會形成一層肉眼看不見的很薄的液膜，如圖0-9所示。液膜中可溶解酸性氣體如CO2、SO2、NO2等（與大氣污染有關），成為電解質(zhì)溶液。大多數(shù)金屬（除貴金屬外）在這樣的條件下，就自發(fā)地以金屬離子的形式溶入液膜，金屬中剩余的電子則將H+還原為H2，這樣在金屬表面就形成了腐蝕微電池，使腐蝕過程繼續(xù)發(fā)生。

0.3.3　電解

利用電解可冶煉、精煉金屬，制備無機物、有機物等化工產(chǎn)品。氯堿工業(yè)是一個典型的例子，氯堿工業(yè)是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎工業(yè)，其產(chǎn)品NaOH、Cl2和H2都是重要的化工原料，廣泛用于各工業(yè)部門。

①氯氣——合成鹽酸、漂白粉、聚氯乙烯等。

②氫氣——還原劑，制備高純度硅和鍺。

③燒堿——用于化工、造紙、紡織、肥皂、冶金、石油工業(yè)等。

電解法已被廣泛地應用于提煉和精煉有色金屬和稀有金屬，如日常生活中使用最廣泛的金屬Al、Na、Li。由于Na、Li的活潑性高，電解質(zhì)不能為水溶液，故Na、Li的生產(chǎn)一般采用電解熔融的氯化物NaCl、LiCl，在500～700℃進行。銅、鋅等金屬的精煉也都用的是電解法。許多化工產(chǎn)品也是通過電解方法制得的，如KMnO4、H2O2等。據(jù)統(tǒng)計目前全世界電解工業(yè)耗電量為總發(fā)電量的10％。

因電化學反應只限于在與溶液接觸的電極表面，使得電化學反應器的生產(chǎn)強度低于很多化學反應器。因此降低能耗、提高時空收率是電化學生產(chǎn)的關鍵問題。

0.3.4　金屬的表面精飾與電化學加工

電化學加工是通過電化學反應去除工件材料或在其上鍍覆金屬材料等的特種加工工藝。其中電解加工適用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、拋光等。電鑄加工適用于形狀復雜、精度高的空心工件，如波導管；注塑用的模具、薄壁工件；復制精密的表面輪廓；表面粗糙度樣板、反光鏡、表盤等工件。涂覆加工可針對表面磨損、劃傷、銹蝕的工件進行涂覆以恢復尺寸；對尺寸超差產(chǎn)品進行涂覆補救。對大型、復雜、小批工件表面的局部鍍防腐層。電化學加工過程都是以離子的形式進行的，而金屬離子的尺寸非常微小，因此從原理上講，電化學加工可以實現(xiàn)的加工精度和微細程度在微米級甚至更小的尺度。

電鍍可用于裝飾、防腐、增加抗磨能力及便于焊接等，應用范圍極廣。電鍍是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬層的過程。為了節(jié)約金屬，減輕產(chǎn)品重量和降低成本，目前越來越多地采用非金屬，尤其是塑料來代替金屬。塑料在電鍍前一般需要經(jīng)過除油、粗化、敏化、活化、化學沉積金屬膜（化學鍍鎳、化學鍍銅等）后，方能進行電鍍。電鍍后的塑料制品表面是金屬，能夠?qū)щ姟Т拧⒑附樱伊W性能、熱穩(wěn)定性和防老化能力等都有所提高。

電化學陽極氧化　有些金屬在空氣中就能生成氧化物保護膜，而使內(nèi)部金屬在一般情況下免遭腐蝕。例如金屬鋁與空氣接觸后即形成一層均勻而致密的氧化膜（Al2O3），而起到保護作用。但這種自然形成的氧化膜厚度僅0.02～1μm，保護能力不強。另外為使鋁具有較大的機械強度，常在鋁中加入少量其它元素，形成合金。但一般鋁合金的耐蝕性能不如純鋁，因此常用陽極氧化的方法使其表面形成氧化膜以達到防腐耐蝕的目的。陽極氧化就是把金屬在電解過程中作為陽極，使之氧化而得到厚度達到5～300μm的氧化膜。

傳統(tǒng)電沉積技術及電化學陽極氧化技術已發(fā)展成為制備各種現(xiàn)代功能新材料及表面超微加工、改性、修飾的重要方法。這些新材料主要是通過共沉積或誘導沉積的方法，獲得復合型功能材料，包括高反射、高吸收、高擇優(yōu)取向、多晶、微晶、無定形、高催化性能、超細（納米）材料、生物活性材料、導電聚合物、聚合物金屬化、金屬聚合物化、半導體、鐵電材料、高密度磁記錄材料等。

電泳涂裝　（electro-coating）是利用外加直流電場使懸浮于電泳液中的顏料或樹脂等微粒定向遷移并沉積于電極表面的涂裝方法。電泳涂裝是近30年來發(fā)展起來的一種特殊涂膜形成方法，是水性涂料中最具有實際意義的工藝。具有水性無毒、安全、易于自動化控制、可一次加工完成等特點，迅速在汽車、建材、五金、家電等行業(yè)得到廣泛的應用。電泳涂漆尤其適用于異型工件、大件、大規(guī)模的操作，如汽車外殼、自行車架等。另外利用膠體粒子的電泳沉積技術制備無機陶瓷模具有一些突出的優(yōu)點，近年來此領域的研究也受到了很大重視。

化學拋光　依靠純化學作用與微電池的腐蝕作用，使材料表面平滑和光澤化。

電解除油　金屬制件作為陽極或陰極在堿溶液中進行電解以清除制件表面油污的過程。

電解浸蝕　金屬制件作為陽極或陰極在電解質(zhì)溶液中進行電解以清除制件表面氧化物和銹蝕物的過程。

化學蝕刻　利用腐蝕電化學原理進行金屬定域“切削”的加工方法。

0.3.5　有機電化學

有機電化學在如下領域中得到了重要的應用：a.有機合成，即有機電解合成；b.有機高分子的合成；c.有機導電聚合物的合成；d.新的能源工業(yè)，如有機電池、全塑料電池；e.顯示組件、敏感組件等；f.物質(zhì)變換、改質(zhì)等；g.處理環(huán)境污染；h.仿生合成等。這些應用技術都是環(huán)境污染小、節(jié)省資源和能源的可持續(xù)發(fā)展的技術，即綠色技術。如合成對氨基苯酚，它是制撲熱息痛等藥物和染料、橡膠助劑的中間體，國內(nèi)目前主要以對硝基氯苯為原料，經(jīng)加壓水解、酸化、還原制得。其原料成本高，生產(chǎn)時間長，“三廢”污染嚴重。如用有機電解合成法，以硝基苯為原料電解還原一步就可以得到對氨基苯酚。其原料成本低，生產(chǎn)流程短，“三廢”污染少，不需要貴金屬催化劑和加壓設備，可以在常溫常壓下操作，生產(chǎn)環(huán)境安全，經(jīng)濟效益好。

0.3.6　生物電化學

生命物質(zhì)是荷電的微粒或分子，生命現(xiàn)象最基本的過程是電荷運動，生命過程總是伴隨著電化學過程，如營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和加工，神經(jīng)系統(tǒng)中信息的傳遞，視覺的產(chǎn)生、物質(zhì)氧化過程的能量儲存，肌肉的運動等。因此可以應用電化學方法研究生物體內(nèi)各種器官的生理規(guī)律及其變化，這在生物學、特別是醫(yī)學上已有廣泛應用，如心電圖、腦電圖等。對生物電化學的深入研究，可以為理解與揭示生命的奧秘，促進人類健康長壽，提供有力的科學手段。下面舉幾個常見的例子：a.神經(jīng)系統(tǒng)實質(zhì)上是生物電的調(diào)控系統(tǒng)，生物電的起因可歸結(jié)為細胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。b.生物體內(nèi)的活細胞可模擬為燃料電池，代謝作用就和燃料電池的工作相當。c.西施——翩若驚鴻、閉月羞花、美目盼兮、巧笑倩兮……實際上就是觀察者從視網(wǎng)膜到神經(jīng)再到大腦的一串電化學過程最終在人腦的處理結(jié)果。d.當把外來材料植入心臟后，血液和異物的接觸常引起血凝和血栓，從而可能引起人的突然死亡。血凝的發(fā)生與植入物和血液之間的界面電位差有關。當“金屬/血液”界面的電極電位為正時，很容易出現(xiàn)血凝。相反，電位為負時，很少或幾乎沒有血凝。這一發(fā)現(xiàn)很可能成為解決血凝問題的關鍵。

0.3.7　光電化學

盡管近期不可能解決光電化學應用于太陽能轉(zhuǎn)換和存儲的實用技術，液結(jié)太陽能電池尚無法與硅固體結(jié)太陽能電池競爭，但是光電化學仍然大有可為。例如光電合成和光催化合成［光解水制氫（圖0-10）、固氮成氨、固二氧化碳為有機物、工業(yè)上大量有毒“三廢”轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)等］；根據(jù)光電化學原理制造傳感器、光電顯色材料、信息存儲材料及醫(yī)學上進行滅菌，殺死癌細胞等。

0.3.8　環(huán)境電化學

工業(yè)部門采用電化學方法治理、監(jiān)測“三廢”生產(chǎn)的實例很多。電化學方法在凈化環(huán)境方面的作用主要有：a.清潔（電解合成）。利用電化學反應替代有毒的反應物和苛刻的反應條件，可以減少環(huán)境污染物的產(chǎn)生。b.污染治理。例如生物法難以奏效的有機氯、磷、硫等合成藥物廢水，造紙、印染廢水，采用電化學方法處理可獲得滿意的效果。c.環(huán)境監(jiān)測電化學傳感器、監(jiān)測器為環(huán)境污染的有效連續(xù)監(jiān)測，提供了高靈敏度和自動化的手段。

0.3.9　電化學分析及檢測

電化學分析（electrochemical analysis）在實驗室和工業(yè)監(jiān)控中應用廣泛。它是使待測對象組成化學電池，通過測量電池的電位、電流或電量、電導等物理量，實現(xiàn)對待測物質(zhì)的組成及含量的分析。電化學分析法的特點為：a.靈敏度、準確度高，選擇性好，被測物質(zhì)的檢測下限可以達到10-12mol/L數(shù)量級。b.電化學儀器裝置較為簡單，操作方便。直接得到電信號，易傳遞，尤其適合于化工生產(chǎn)中的自動控制和在線分析。

電化學傳感器種類繁多，價格低廉，用途極為廣泛。諸如各種有毒氣體的微量監(jiān)測儀（圖0-11），酶電極、離子選擇性電極以及生物組織電極、微生物電極等。更具體而言，目前市面上的主流血糖儀大多采用葡萄糖氧化酶電極測量法，其原理是通過測量血液中的葡萄糖與試紙中的葡萄糖氧化酶反應產(chǎn)生的電流量測量血糖。另外，酶抑制法是我國農(nóng)藥殘留速測的主流技術。近年來，電化學酶抑制法由于取得顯著進步而處于產(chǎn)業(yè)化前夜。