电化学合成技术与工艺

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,班级：应化,1351,宿舍：,6609,组数：第,6,组,成员：徐小文 张亮亮 陈晓伟 陈涛 邓冬冬,电化学合成技术与工艺,第七章,Electrochemical Synthesis Technology,电化学合成概述,CONTENTS,电化学理论基础,电化学合成工艺方法,电化学工程与工业应用,目录,PPT,模板下载：行业,PPT,模板：,节日,PPT,模板：素材下载：,PPT,背景图片：图表下载：,优秀,PPT,下载：教程：,Word,教程：教程：,资料下载：课件下载：,范文下载：试卷下载：,教案下载：,PPT,论坛：,电化学合成概述,THE BUSENESS PLAN,电化学合成发展史,电化学合成的特点,logo,1600 Gilbert,（英）,发现摩擦生电,1791 Galvani,（意大利）,发现生物电现象,1799 Volta,（意大利）发明电池,1800 Nicholson-Carlisle,（英）电解水,1807 Davy,（英）电解制碱金属,1833 Faraday(,英）电解定律,1839 Grove,氢氧燃料电池,1879 Helmholtz(,德,),双电层理论,1884 Arrhenius(,瑞典）电离学说,1900 Nernst,（德）,Nernst,方程,1905 Tafel(,德）,Tafel,方程,1923,Debey(,荷兰),-Huckel(,德)离子互吸理论,电化学合成发展史,电化学合成的特点,合成体系清洁，产物纯度高；可制备高氧化态,或低还原态化合物；可选择性地制备特定价态,化合物；可制备一些特殊的物质或聚集态。,较低的温度下进行，能耗降低。反应温度下降，设备材料的腐蚀，损耗和意外事故减少。可以在低挥发或者不挥发反应介质中进行,。,产物和反应物易于回收。电解质与活性电化学媒介是可再生的，对环境没有排放,。,电化学理论基础,电解质溶液,电化学反应热力学,极化过程与动力学方程,电极过程研究技术,电解过程研究技术,电解质溶液,01,02,03,。,电子导体,（第一类导体）,依靠自由电子的运动而导电。,例如：金属、石墨等。,温度升高，导电能力下降。,离子导体,（第二类导体）,依靠离子定向运动和电极,反应而导电。,例如：电解质溶液和熔融电解质。,温度升高，电解质溶液的导电能力增大,导体,电解质溶液,。,电解池：,电能转换为化学能的装置,例：电解,HCl,水溶液,负极,(,发生还原反应,阴极,),正极,(,发生氧化反应,阳极,),电池反应,电解质溶液,导电机理,:,。,阳极,(,负极,),阴极,(,正极,),电池反应,电极上得失电子的反应,溶液中离子的定向迁移,原电池,：化学能转换为电能的装置,电导,G,、电导率,、,摩尔电导率,m,电阻,:,R=,(,l/A,),单位：,电阻率,:,=,R,(,A/l,),m,1,电导,:,G=1/R,单位：,S(,西门子,),2,电导率,:,=1,/,=,G,(,l/A,),S,m,-1,其中,(,l/A,)=,电导池常数,K,cell,(,物理意义,),：电极面积各为,1,m,2,两,电极相距,1,m,时溶液的电导。,的数值与电解质,种类、温度、浓度,有关,10,3.,摩尔电导率,在相距为单位距离的两个平行电导电极之间，放置含有,1 mol,电解质的溶液，这时溶液所具有的电导称为摩尔电导率,m,，单位为,S.m,2,.mol,-1,m,=,V,m,=,/c,V,m,是含有,1mol,电解质的溶液的体积，单位为,m,3,.mol,-1,，,c,是电解质溶液的浓度，单位为,mol,-1,.m,3,，,是,电导率，单位为,S,m,-1,。,11,电导率与浓度的关系,弱电解质,溶液电导率随浓度增加而变大，但变化不显著,强电解质,溶液,当浓度,C5mol/dm,3,时，电导率随着浓度的增加而升高，几乎成正比关系。,当浓度,C,5mol/dm,3,时，电导率随着浓度的增加而降低，如,H,2,SO,4,和,KOH,溶液。,c,HCl,KOH,KCl,HAc,LiCl,12,强电解质的,m,与,c,的关系,随着浓度下降,m,升高，很快达到一个极限值,m,，,既无限稀释时的摩尔电导率，,通常当浓度降至,0.01,mol/dm,3,以下时，,m,与,c,之间呈线性关系。德国科学家,Kohlrausch(,科尔劳施）总结的经验式为：,m,=,m,（,1,-,.,）,是与电解质性质有关的常数。将直线外推至,c,0,，得到无限稀释摩尔电导率,m,。,m,m,1/2,NaCl,NaAc,HAc,m,13,电,极,2,H,+,离子的迁移数,Cl,-,定义,t,+,=Q,+,/,Q,t,-,=Q,-,/,Q,Q,+,=z,+,c,+,Fu,+,Q,-,=z,-,c,-,Fu,-,Q=Q,+,+Q,-,=z,+,c,+,Fu,+,+z,-,c,-,Fu,-,任何电解质中：,z,+,c,+,=z,-,c,-,H,+,H,+,电,极,1,单位时间内通过,溶液,某一截面的,电量为,Q=Q,+,+Q,-,溶液中离子的浓度为,c,+,c,-,，离子迁移速率,u,+,u,-,14,能斯特方程式,O+,n,e R,（,O,：氧化态粒子,R,：还原太粒子，,n,反应所涉及的电子数）,在平衡状态下（电子交换、物质交换均达到平衡），电极,/,溶液界面所建立的电极电位满足：,其中：,平,：平衡电位,平,0,：标准平衡电位,T,：绝对温度，,F,：法拉第常数,o,，,R,：,氧化,态，还原态粒子活度,Nernst,方程是电化学热力学的基石。,电化学热力学,2-2,相间电位与电极电位,一,.,双电层的形成与种类,1.,带电粒子在两相间的迁移：,这是由于带电粒子在两相中化学位的不同，引起粒子由高化学位向低化学位的迁移现象。,a.,两不同电子导体相相接触，由于电子在两相中化学位的不同而引起的定向迁移，遂在界面形成双电层。,b.,具有不同密度的两种电解质溶液相接触，离子由高浓度向低浓度迁移，遂在界面形成双电层。,c.,电子导体相与离子导体相相接触，带电粒子在两相间的迁移，遂形成异相界面形成双电层。,2.,带电粒子或偶极子在两相界面的定向排列,a.,带电粒子由于特性吸附在溶液一侧形成的表面双电层。,b.,偶极子在溶液一侧的定向排列,c.,电子导体相一侧的偶极化,3.,由于外电路的作用形成的双电层（电容）,其中第一类的,C,及第二、三类双电层是本课程的研究重点。,二,.,电化学位,将一试验电荷（,i,）自无穷远处移入研究相（,P,），,所涉及的全部能量变化的称为试验电荷在研究相的电,化学位。记作：,试验电荷移动过程中涉及的能量变化可分为三部分,（,1,）试验电荷自无穷远处移至研究相附近（,10,-4,10,-5,cm,）克服（研究相所带电荷产生的）外电场所做的功,W,1,。,z,：实验电荷所带电荷数，,e,0,：电子电量，,：,研究相外电位,（,2,）实验电荷自研究相附近移入相内克服表面电场所,做的功,W,2,。,X,：研究相表面偶极子分布产生的表面电场。,（,3,）实验电荷进入研究相克服短程力（化学作用）所做的功,W,3,。,即实验电荷在,P,点的化学位。,所以有,外电位与内表面电位的和又称之为内电位，记作：,。,由电化学位的表达形式可见，它只是一种特殊的,化学位。若研究的粒子不带电荷，则其电化学位等于,其化学位。与化学为一样，电化学位是用以判断粒子,在电化学体系中是否建立平衡的重要参量，其单位是,能量单位。,三,.,相间电位差,两相至接触相间的存在两种电位差：,相间内电位差：,=,1,-,2,相间外电位差：,=,1,-,2,相间内（外）电位差称之为电化学体系的绝,对电极电位。,注：,两不同相间的内电位差不能直接测量，,而外电位差是可直接测量。,四,.,电极电位（相对）,1,电池的电动势,电池由（,I,）和（,II,）两个电子导体相和电解质相,S,构成。,由此可见电池的电动势包括相互接触相的内电位差或,外电位差的和。,2.,电极电位,将参考电极取代电子导体相,与研究电极构成电化,学电池。,若将所有的研究电极系统均与参考电极体系构成电池，测得的其电池电动势，由上式可知，所有电动势组成中的后两项几乎相等。即电池电动势的大小取决于第一项的大小。这样就有可能解决不同相间绝对电极电位不可直接测量的问题。,电极电位（相对）：,研究电极与标准氢电极系统,（,P,H2,=1atm,，,H+,=1mol/L,）构成无液接电池，测得,该两电池两端（相同电子导体相）在无电流通过时的,内电位差，称之为研究电极的相对电位，即电极电位。,电位的符号以研究电极在原电池中极性决定。,在实际应用中，由于标准氢电极使用不方便，常,使用第二类金属构成的电极系统称为参考电极。主要有下列几种：,a.,Hg/HgCl,2,KCl,甘汞电极,b.Hg/HgO,KOH,氧化汞电极,c Hg/Hg,2,SO,4,H,2,SO,4,硫酸亚汞电极,d.Ag/AgCl,KCl,银，氯化银电极,作为参考电极的基本条件：操作简单、重现性好、可逆性好。,标准氢电极示意图,电化学合成工艺简介,电化学合成工艺简介,电化学合成最基本的研究对象，是各类电化学反应在“电极溶液”界面上的热力学与动力学性质，证实这些反应在电化学体系内的反应可能性及其机理。化学反应的本质是反应物外层电子的得失，故任何一个氧化还原反应理论上都可以按照化学和电化学两种本质不同的反应机理来完成。对于任何一个如下式所示的氧化还原反应：,A+B,C+D,（,1,）；,如果通过化学反应实现上列反应，则可以表示为：,A+B,AB,C+D(2),化学反应过程中,A,粒子和,B,粒子通过相互碰撞形成一种活化配合物中间态,-AB,，然后转变成产物。,如果式,(1),的反应在电解装置中进行，则在阴极和阳极分别发生下列电极反应：,阴极反应,:A+ne,C(3),阳极反应,:B-ne,D(4),电化学总反应,:A+B,C+D(5),电极反应在电极与溶液之间形成的界面上进行。对于单个电极而言，电极过程由下列步骤串联而成：,(1),反应物粒子自溶液本体向电极表面传递；,(2),反应物粒子在电极表面或电极表面附近液层中进行某种转化，例如表面吸附或发生化学反应；,(3),在电极与溶液之间的界面上进行得失电子的电极反应；,(4),电极反应产物在电极表面或电极表面附近液层中进行某种转化，例如表面脱附或发生化学反应；,(5),电极反应产物自电极表面向溶液本体传递。,任何一个电极过程都包括上述,(1),、,(3),、,(5),三步，某些电极过程还包括,(2),、,(4),两步或其中一步。电极过程各步进行的速度存在差别，整个过程由其中最慢的一步控制，称为,“,控制步骤,”,。电化学合成工艺流程通常包括电解合成前处理、电解合成、电解合成后处理各步，其中电解合成是最重要的步骤。电解合成前后处理与化学合成相似，通常为净化、除湿、精制、分离等操作。电化学合成是一种绿色合成技术，其突出的优点之一就是无污染或者少污染，因而在三废处理方面负担轻、投入少。,电化学合成的研究进展和展望,1,、合成纳米材料（,1,）石墨层间化复合物,（,2,）纳米粒子、薄膜、晶体,2,、合成电极材料,3,、合成功能材料,4,、合成超导材料,电化学合成的应用,5,、电化学合成无机化工原料,6,、电化学合成有机物,（,2,）,L,一半胱氨酸（,1,）邻，对，间三氟甲基苯甲酸,（,3,）维生素,k3,电化学合成的研究进展和展望,电化学合成的研究近二十年来进展迅速，研究领域包括直接电化学合成、间接电化学合成、界面修饰电极、反应性电极等。除此之外，在下述领域也取得了很大进：,(1),固体聚合物电解质（,SPE,）在电化学中的应用。,SPE,是一种高分子离子交换膜，由于其较好的化学和机械稳定性、优良的导电性