第1章　緒論

1.1　電化學簡介

電化學是物理化學學科的一個分支。顧名思義，電化學就是從電學現象與化學現象的聯系去尋找化學變化規律的學科。經典電化學的主要理論支柱是電化學熱力學、界面雙電層和電極過程動力學。電化學熱力學適用于平衡電化學體系，電極過程動力學適用非平衡電化學體系，雙電層則為二者變化的橋梁。現代電化學又將統計力學和量子力學引入電化學的理論體系，開辟了在微觀水平研究電化學的新領域。

因為電化學最早的研究對象是電池、電解、電鍍過程，所以最初把電化學看作是研究電能與化學能相互轉換的科學。但是隨著研究的深入，出現了電滲析、電泳涂漆、化學鍍、電化學腐蝕等新的研究對象，于是將電化學的定義擴展為研究電子導體與離子導體形成的帶電界面性質及其上所發生變化的科學。近年來，隨著電化學理論的發展及其與各學科領域的交叉，出現了量子電化學、光電化學、固體電化學、納米電化學等許多新的研究領域，研究方法和理論模型開始深入到分子水平，建立和發展了在分子水平上檢測電化學界面的現場譜學電化學技術。可以說電化學已經發展為控制離子導體、電子導體、半導體、量子半導體、介電體的本體及界面間荷電粒子存在和移動的科學。

電化學廣泛應用于化工、冶金、機械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫學、材料、能源、環保等各工程技術領域之中，目前主要的實際應用大致分為以下幾方面。

（1）化學電源。化學電源是把化學能轉換成電能的裝置，也就是通常所說的電池，例如鋅錳電池、鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、金屬鋰電池、鋰離子電池、燃料電池、空氣電池、液流電池，以及介于傳統靜電電容和電池之間的新型的儲能器件電化學超級電容器等。隨著電器、信息、運輸、通信、電力、軍事等領域的發展，電池的需求量不斷增長，電池工業發展迅速，其中新能源動力電池的發展引人注目。

（2）表面處理及精飾。表面處理工藝包括各種電鍍、化學鍍、電鑄、陽極氧化、電泳涂漆等，目的是在基體材料表面上形成一層具有特定功能的表層。表面處理能為基體提供各種耐蝕性、裝飾性或功能性涂鍍層，種類繁多、應用廣泛。如在鋼鐵表面鍍鋅、鍍鎘、鍍錫或鍍鋅合金可提高耐蝕性，槍炮管內的硬鉻鍍層具有耐磨性，軸瓦上的鉛錫合金鍍層具有減摩性，轉子發動機內腔的鉻鍍層是抗高溫氧化鍍層，機械零件上的銅鍍層能防止基體鋼鐵進行熱處理時滲碳。在電子信息產業微型化過程中，芯片制作、微機電系統等的發展，都離不開電鍍工藝。電化學表面處理技術已發展成為制備各種現代功能新材料及表面超微加工、改性、修飾的重要方法。

（3）電解冶金。電解冶金就是通過電解法使金屬離子在陰極還原析出，按其過程的目的及特點，可分為電解提取和電解精煉。電解提取時采用不溶性陽極，使電解液中的金屬離子在陰極還原，制得純金屬。電解精煉則采用以其他方法煉制的粗金屬作為陽極進行電解，通過選擇性的陽極溶解及陰極沉積，達到分離雜質和提純金屬的目的。

（4）電合成。電合成是指以電解方法合成化學物質，包括制取無機單質或化合物的無機電合成以及制取有機化合物的有機電合成。如規模巨大的氯堿工業（電解食鹽水制取氯氣和氫氧化鈉）、尼龍原料己二腈的電合成（用丙烯腈為原料在鉛陰極上電還原制造己二腈），以及高錳酸鉀、二氧化錳、氯酸鈉、次氯酸鈉、雙氧水、碘仿、四乙基鉛、香草醛、L-半胱氨酸等的電合成。

（5）電解加工。電解加工是在高電流密度下，于流動的電解液中，以被加工的金屬工件作為陽極，利用陽極溶解原理進行金屬加工方法。電解加工以其加工速度快、表面質量好、凡金屬都能加工而且不怕材料硬、韌等優點，特別適用于形狀復雜的零件和硬質合金材料的加工，廣泛用于航空工業、軍事工業、發電設備業加工各種葉片、葉輪、模具和其他零件。隨著科技發展，目前已經開發出計算機控制的數控仿型電解加工，以及電解加工與其他加工（電火花、機械、化學、激光、超聲等）聯用的電解復合加工等許多新型工藝技術。

（6）金屬腐蝕與防護。金屬表面由于外界介質的化學或電化學作用而造成的變質及損壞現象或過程稱為腐蝕。全世界每年由于金屬腐蝕遭受的損失非常嚴重。金屬腐蝕包括電化學腐蝕、化學腐蝕及微生物腐蝕，其中電化學腐蝕最為普遍，造成的危害也最嚴重。因此，研究腐蝕的原因以及采取相應的防腐措施就成為電化學研究的重要內容之一。如采用緩蝕劑、防腐涂層、電化學陰極保護與陽極鈍化等方法進行金屬的電化學保護，以及腐蝕監控傳感技術等。

（7）電化學分離技術。采用電化學法分離不同離子的技術，一般會配合離子交換膜使用。如應用于工業生產或廢水處理中的電滲析法、電凝聚法、電氣浮法、電氧化法、電還原法、電吸附法等分離技術。電化學已經成為解決環境污染問題的一個重要方法，電化學方法治理廢水一般無需添加化學藥品，設備體積小，污泥量少，后處理極為簡單，用電還原法處理重金屬廢水還可回收金屬。

（8）電分析化學。電分析化學是利用物質的電化學性質進行表征和測量的分析方法。它是使待測對象組成一個電化學池，通過測量電位、電流、電量或電導等物理量，實現對待測物質的組成及含量的分析。早期有庫侖滴定法、電導滴定法、高頻滴定法等。1922年極譜法問世，標志著電分析方法的發展進入了新的階段，極譜學創始人海洛夫斯基因此獲得了諾貝爾化學獎。近些年出現的各種溶出伏安法、微電極伏安法等分析方法不但易于實現連續自動記錄分析結果，而且還有利于對痕量物質的檢測，在工業、農業、環境保護、醫藥衛生等方面應用廣泛。

除以上經典應用領域外，隨著科技的發展，電化學與其他學科的聯系越來越緊密，還在不斷地涌現出新的交叉學科，應用范圍也在不斷擴大。