界面电化学改教学课件

界面电化学改26、机遇对于有准备的头脑有特别的亲和力。27、自信是人格的核心。28、目标的坚定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。没有它，天才也会在矛盾无定的迷径中，徒劳无功。-查士德斐尔爵士。29、困难就是机遇。-温斯顿丘吉尔。30、我奋斗，所以我快乐。-格林斯潘。电化学是多学科交叉、具有重要应用背景和前景的科学，在支撑文明社会的自然科学以及能源、材料、生命、环境和信息等科学中都占有重要的地位。（三）、（三）、电化学的研究内容电化学的研究内容1、电极过程2、电解质溶液理论3、电化学平衡4、电极动力学5、应用电化学Throw-away battery,rechargeable battery,fuel cells,solar cell,et al.Electrochemistry in life science Electrochromism,electrolysis,corrosion,electroplating,electrodeposition,et al.Waste treatment in environments Information storage and reading 电极表面状态电极表面状态（五）、电极过程（五）、电极过程（一）扩散速率控制过程 r d（二）电极反应速率控制过程 d r（三）中间过程 d rO+ne R两个速率：扩散(diffusion)速率d电极反应(electrode reaction)速率r1.电活性物质溶解于溶液中x=0 xx+dxcc+dc电极溶液线性扩散方向xO+ne R在时间t时(即电解开始t秒钟的时候)，在一个无限短的时间间隔dt内，扩散通过离电极表面x处截面的摩尔数dNx,t与截面的面积A和当时当地的浓度梯度成正比:dNx,t=DoA(Co(x,t)/x)dt (1)在单位时间内，通过截面上单位面积的摩尔数为单位流量;在时间t时，离电极表面x处截面的单位流量fx,t:fx,t=dNx,t/(A dt)=Do(Co(x,t)/x)(2)式(1),(2)为Fick(菲克)第一定律A.扩散速率控制过程电极表面液层中O的浓度是距离和时间的函数考虑离电极表面距离为x和x+dx的两个截面，dx为无限小量。在时间dt内，两个截面间，O浓度的改变量dco(x,t)等于在dt时间内，进入截面x+dx的总摩尔数（dNx+dx,t）减去在同一时间内由截面x出去的总摩尔数（dNx,t）除以两截面间所包含溶液的总体积Adx:dCo(x,t)=(dNx+dx,t-dNx,t)/(Adx)(3)由式（2），dN=f A dt (4)式（4）带入式（3），dCo(x,t)=(fx+dx,t-fx,t)/dx)dt (5)或，Co(x,t)/t=f x,t/x (6)由式（2），f x,t/x=Do 2Co(x,t)/x2 (7)式（7）带入式（6），Co(x,t)/t=Do 2Co(x,t)/x2 (8)式（8）为Fick（菲克）第二定律x=0 xx+dxcc+dc电极溶液线性扩散方向x当外加电压加到产生极限电流处时，初始条件：t=0,x=0:Co(x,t)=Co*,CR=0边界条件：t 0,x=0:Co(x,t)=0 t 0,x=:Co(x,t)=Co*(Co(x,t)/x)x=0=Co*/(Dot)1/2极限扩散电流il,il=nFAfx=0,t=nFADo(Co(x,t)/x)x=0 =nFACo*(Do/t)1/2Cottrell方程离电极表面的距离xO的浓度txCO*扩散层厚度扩散层的厚度：(Dot)1/2E1E2B.电极反应速率控制过程O+ne RkfkbO和R均溶解于溶液中-dNo/dt=dNR/dt=kf CO0-kbCR0kf=k0 exp-nF(E-E0)/RTkb=k0 exp(1-)nF(E-E0)/RT为转移系数E0为标准电位ic=nFAk0CO0exp-nF(E-E0)/RT 只存在Oia=-nFAk0CR0exp(1-)nF(E-E0)/RT 只存在Ri=ic+ia O和R共存根据绝对反应速率理论则离电极表面的距离O的浓度t2CO*t1经典极谱法电极电位Ei离电极表面的距离O的浓度t0CO*电极电位Ei离电极表面的距离O的浓度t2CO*t1t1t2现代循环伏安法(Co(x,t)/x)x=0=(Co*-Cs)/(Dot)1/2现代循环伏安法2.电活性物质吸附于电极表面A、太阳能电池,solar cell（光电转换）化石燃料有限化石燃料有限太阳每秒钟照射到地球上的能太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于量就相当于500万吨煤万吨煤二、电化学的应用二、电化学的应用反应类型：阳极、阴极电势高低：正极、负极阳极(anode)阴极(cathode)电池(battery)负极(negative)正极(positive)电解池(electrolytic cell)正极(positive)负极(negative)太阳能电池简介太阳能电池简介按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：硅太阳能电池硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（染料敏化纳米晶体太阳能电池（Dye-SensitizedSolarCell）（正在研发）（正在研发）UV 5%Visible 46%Infrared 49%lPower reaching earth 1.37 KW/m2太阳辐射能太阳辐射能1.光电效应Aphotoninducedhole-electronpairisseparatedbythelocalfieldofthejunction.ShockleyQueisserlimit：themaximumtheoreticalefficiencyofasolarcellusingap-njunction around 30%assuming a p-n junction band gap of 1.1 eV(typical for silicon).Modern commercial single-crystalline solar cells produce about 22%conversion efficiency.p-n结VBCBh+2.光化学效应（Dye-SensitizedSolarCell）I3-/I-由于由于TiO2的禁带宽度较大的禁带宽度较大(3.2eV，约，约387.5nm)，可见，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于激发态能级高于TiO2的导带，所以电子可以快速注入的导带，所以电子可以快速注入TiO2；染染料料分分子子输输出出电电子子后后成成为为氧氧化化态态，它它们们随随后后被被电电解解质质中中的的I-还还原原而而得得以以再再生生，而而氧氧化化态态的的电电解解质质(I3-)在在Pt对对电电极极上上得得到到电电子子被被还还原原，从从而而完完成成一一个个光光电化学反应循环。电化学反应循环。Reactions 1 and 2:Excited State Decay and Electron Injection Reaction 3:Regeneration of the Oxidized DyesReaction 4:Electron Transport through the Mesoporous Oxide FilmReactions 5 and 6:Recombination of Electrons in the Semiconductor with Oxidized Dyes or Electrolyte SpeciesReaction 7:Reduction of Electron Acceptors in the Electrolyte at the Counter Electrode涉及的反应：Annu.Rev.Phys.Chem.2007.58:143-184:Theoretical Studies of Photoinduced Electron Transfer in Dye-Sensitized TiO2 Chem.Rev.,2010,Dye-sensitized solar cell界面：染料/TiO2TiO2/电解质TiO2/TiO2TiO2/电极电解质/对电极第一步：二氧化钛膜的制备第一步：二氧化钛膜的制备一一、调调制制纳纳米米二二氧氧化化钛钛浆浆料料二、在导电玻璃片上涂膜三、用酒精灯烤干把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜（SnO2）制作制作SolarCell第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色第二步：利用天然染料把二氧化钛膜着色把新鲜的或冰冻的黑莓、山莓石榴籽或红茶，用一大汤匙的水进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，最后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。第三步：制作反电极第三步：制作反电极 电池既需要光阳极，又要一个对电极才能工作。对电极又叫反电极，是由涂有导电的SnO2膜层组成的,用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。第四步：注入电解质第四步：注入电解质 注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。第五步：组装电池第五步：组装电池光电化学其它应用UV absorbing cosmetic sunscreensPhotocatalytic windshieldsOperating rooms and public restrooms(Japanese company TOTO)Self-cleaning coatingWater treatment by buoyant photocatalytic TiO2-coated hollow ceramic microbubblesAnti-fogging coating for side-view mirror by sunlight induced superhydrophilic surface3、化学电源电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质电池按照其使用性质的不同可以分为干电的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大池和燃料电池等几大类。类。干电池干电池干电池干电池锌锰干电池：锌锰干电池：负极负极负极负极是锌做的圆筒，是锌做的圆筒，是锌做的圆筒，是锌做的圆筒，正极正极正极正极是一根碳棒，是一根碳棒，是一根碳棒，是一根碳棒，周围被二氧化锰、周围被二氧化锰、周围被二氧化锰、周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混碳粉和氯化铵的混碳粉和氯化铵的混碳粉和氯化铵的混合剂包围。合剂包围。合剂包围。合剂包围。原电池干电池发电时反应如下：干电池发电时反应如下：负极：负极：Zn-2eZn-2e-=Zn=Zn2+2+正极：正极：2NH2NH4 4+MnO+MnO2 2+2e+2e-=2NH=2NH3 3+MnO+H+MnO+H2 2O O电池反应电池反应:Zn+2NH:Zn+2NH4 4Cl+MnOCl+MnO2 2=ZnCl=ZnCl2 2+2NH+2NH3 3+MnO+HMnO+H2 2O O 使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的漏，正极处的MnOMnO2 2的活性逐渐衰减，最后干的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。电池不再供电而失效。蓄电池蓄电池 蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。铅蓄电池的两极均以铅板为铅蓄电池的两极均以铅板为铅蓄电池的两极均以铅板为铅蓄电池的两极均以铅板为骨架，骨架，骨架，骨架，正极正极正极正极铅板上是二氧化铅板上是二氧化铅板上是二氧化铅板上是二氧化铅，铅，铅，铅，负极负极负极负极铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。外外外外部部部部构构构构造造造造蓄电池蓄电池放电放电时发生下列反应：时发生下列反应：负极负极(Pb):Pb+SO(Pb):Pb+SO4 42-2-2e-2e-=PbSO=PbSO4 4正极正极(PbO(PbO2 2):PbO):PbO2 2+4H+4H+SO+SO4 42-2-+2e+2e-=PbSO=PbSO4 4+2H+2H2 2O O总反应总反应:Pb+PbO:Pb+PbO2 2+2H+2H2 2SOSO4 4=2PbSO=2PbSO4 4+2H+2H2 2O O电池电池充电充电时发生与上述反应相反的反应时发生与上述反应相反的反应电动自行车电动自行车电动自行车电动自行车目前，商业化锂离子二次电池的正极目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是材料主要是LiCoO2，负极材料主要，负极材料主要为为C，放电放电时发生如下反应：时发生如下反应：正极反应：正极反应：Li1-xCoO2+xLi+xe-LiCoO2负极反应：负极反应：CLixC+xLi+xe-电池总反应：电池总反应：Li1-xCoO2+CLixLiCoO2+C充电充电时发生上述反应的逆反应。时发生上述反应的逆反应。锂离子二次电池锂离子二次电池（Lithium-ionbatteries）正极材料正极材料MaterialAverageVoltageGravimetricCapacityLiCoO23.7 V140 mAh/gLiMnO24.0 V100 mAh/gLiFePO43.3 V170 mAh/gLi2Fe(PO4F)2 3.6 V115 mAh/gElectrolytes Liquid electrolytes in Li-ion batteries consist of solid lithium-salt electrolytes,such as LiPF6,LiBF4,or LiClO4,and organic solvents,such as ether(乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯).铁酸锂How to prolong Li-ion battery life and use in safety for mobile phone1.Unlike Ni-Cd batteries,lithium-ion batteries should be charged early and often.However,if they are not used for a long time,they should be brought to a charge level of around 40%60%.Lithium-ion batteries should not be frequently fully discharged and recharged(“deep-cycled”)like Ni-Cd batteries,but this is necessary after about every 30th recharge to recalibrate any external electronic“fuel gauge”(e.g.State Of Charge meter).This prevents the fuel gauge from showing an incorrect battery charge.2.Li-ion batteries should never be depleted to below their minimum voltage,2.4 V to 3.0 V per cell.3.Li-ion batteries should be kept cool.Ideally they are stored in a refrigerator.Aging will take its toll much faster at high temperatures.The high temperatures found in cars cause lithium-ion batteries to degrade rapidly.4.Li-ion batteries should not be frozen(most lithium-ion battery electrolytes freeze at approximately 40 C;however,this is much colder than the lowest temperature reached by household freezers).5.Li-ion batteries should be bought only when needed,because the aging process begins as soon as the battery is manufactured.6.When using a notebook computer running from fixed line power over extended periods,the battery should be removed and stored in a cool place so that it is not affected by the heat produced by the computer.燃料电池（FC，Fuel Cell）燃料电池优点：能量密度是锂电池的10倍，使用时间是锂电池的5倍FC工作原理（氢作为阳极燃料为例）High pure H2High performance catalystDisadvantage:Gas fuel,Explosive金属铂作催化剂金属铂作催化剂直接醇类燃料电池甲醇：标准电势：1.18V 能量转换效率：96.7%3/2 O2 +6H+6e-3H2O CH3OH+H2O CO2+6H+6e-_CH3OH+3/2 O2 CO2+2H2OCH3OHH2OWaste heatCathodePolymerAnodemembraneNafionCO2H2OH2OCO2H2OO2H+CH3OHe-e-LoadingCathodecatalystAnodecatalystCH3OH crossoverWhy methanol?难题：难题：4、电光转换（LED，显示技术，激光器等）5、电解电镀电镀6、电化学原理研究7、电催化电催化电极过程Cottrell方程以及实验伏安曲线的解释电化学的应用1.光电转换（染料敏化太阳能电池界面电子转移）2.化学电源原理，界面反应（干电池，铅蓄电池，锂离子二次电池，燃料电池）所讲内容重点谢谢！61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈。CocoChanel62、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。刘向63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。孔丘64、人生就是学校。在那里，与其说好的教师是幸福，不如说好的教师是不幸。海贝尔65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦。杰纳勒尔乔治S巴顿