第1章　緒論

1.1　電化學(xué)簡介

電化學(xué)是物理化學(xué)學(xué)科的一個分支。顧名思義，電化學(xué)就是從電學(xué)現(xiàn)象與化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系去尋找化學(xué)變化規(guī)律的學(xué)科。經(jīng)典電化學(xué)的主要理論支柱是電化學(xué)熱力學(xué)、界面雙電層和電極過程動力學(xué)。電化學(xué)熱力學(xué)適用于平衡電化學(xué)體系，電極過程動力學(xué)適用非平衡電化學(xué)體系，雙電層則為二者變化的橋梁。現(xiàn)代電化學(xué)又將統(tǒng)計力學(xué)和量子力學(xué)引入電化學(xué)的理論體系，開辟了在微觀水平研究電化學(xué)的新領(lǐng)域。

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

電化學(xué)廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、儀表、醫(yī)學(xué)、材料、能源、環(huán)保等各工程技術(shù)領(lǐng)域之中，目前主要的實際應(yīng)用大致分為以下幾方面。

（1）化學(xué)電源。化學(xué)電源是把化學(xué)能轉(zhuǎn)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(tǒng)靜電電容和電池之間的新型的儲能器件電化學(xué)超級電容器等。隨著電器、信息、運輸、通信、電力、軍事等領(lǐng)域的發(fā)展，電池的需求量不斷增長，電池工業(yè)發(fā)展迅速，其中新能源動力電池的發(fā)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(xué)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(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)內(nèi)腔的鉻鍍層是抗高溫氧化鍍層，機(jī)械零件上的銅鍍層能防止基體鋼鐵進(jìn)行熱處理時滲碳。在電子信息產(chǎn)業(yè)微型化過程中，芯片制作、微機(jī)電系統(tǒng)等的發(fā)展，都離不開電鍍工藝。電化學(xué)表面處理技術(shù)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。

（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(jìn)行電解，通過選擇性的陽極溶解及陰極沉積，達(dá)到分離雜質(zhì)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(xué)物質(zhì)，包括制取無機(jī)單質(zhì)或化合物的無機(jī)電合成以及制取有機(jī)化合物的有機(jī)電合成。如規(guī)模巨大的氯堿工業(yè)（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(jìn)行金屬加工方法。電解加工以其加工速度快、表面質(zhì)量好、凡金屬都能加工而且不怕材料硬、韌等優(yōu)點，特別適用于形狀復(fù)雜的零件和硬質(zhì)合金材料的加工，廣泛用于航空工業(yè)、軍事工業(yè)、發(fā)電設(shè)備業(yè)加工各種葉片、葉輪、模具和其他零件。隨著科技發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出計算機(jī)控制的數(shù)控仿型電解加工，以及電解加工與其他加工（電火花、機(jī)械、化學(xué)、激光、超聲等）聯(lián)用的電解復(fù)合加工等許多新型工藝技術(shù)。

（6）金屬腐蝕與防護(hù)。金屬表面由于外界介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而造成的變質(zhì)及損壞現(xiàn)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(yán)重。金屬腐蝕包括電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕及微生物腐蝕，其中電化學(xué)腐蝕最為普遍，造成的危害也最嚴(yán)重。因此，研究腐蝕的原因以及采取相應(yīng)的防腐措施就成為電化學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。如采用緩蝕劑、防腐涂層、電化學(xué)陰極保護(hù)與陽極鈍化等方法進(jìn)行金屬的電化學(xué)保護(hù)，以及腐蝕監(jiān)控傳感技術(shù)等。

（7）電化學(xué)分離技術(shù)。采用電化學(xué)法分離不同離子的技術(shù)，一般會配合離子交換膜使用。如應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(shù)。電化學(xué)已經(jīng)成為解決環(huán)境污染問題的一個重要方法，電化學(xué)方法治理廢水一般無需添加化學(xué)藥品，設(shè)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(xué)。電分析化學(xué)是利用物質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)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(xué)池，通過測量電位、電流、電量或電導(dǎo)等物理量，實現(xiàn)對待測物質(zhì)的組成及含量的分析。早期有庫侖滴定法、電導(dǎo)滴定法、高頻滴定法等。1922年極譜法問世，標(biāo)志著電分析方法的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，極譜學(xué)創(chuàng)始人海洛夫斯基因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎。近些年出現(xiàn)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(xiàn)連續(xù)自動記錄分析結(jié)果，而且還有利于對痕量物質(zhì)的檢測，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面應(yīng)用廣泛。

除以上經(jīng)典應(yīng)用領(lǐng)域外，隨著科技的發(fā)展，電化學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系越來越緊密，還在不斷地涌現(xiàn)出新的交叉學(xué)科，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。