電化學原理與應(yīng)用(王建淦)

《電化學原理與應(yīng)用》是教育部高等學校材料類專業(yè)教學指導委員會規(guī)劃教材。全書共分為9章。前6章主要介紹了電化學基本科學原理，包括電解質(zhì)基礎(chǔ)理論、電化學熱力學、電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、電化學動力學（電化學反應(yīng)動力學、液相傳質(zhì)動力學）；后3章重點介紹了幾類重要的電化學應(yīng)用技術(shù)，包括電化學能量存儲技術(shù)、電化學能量轉(zhuǎn)換技術(shù)以及電化學合成與表面精飾技術(shù)。
本書是高等院校材料類、化學化工類、能源類、環(huán)境類、電子信息類等專業(yè)本科生或研究生的基礎(chǔ)課程教材，也可供從事電化學相關(guān)的科研人員或工程技術(shù)人員參考。

王建淦，男，博士，西北工業(yè)大學材料學院教授。
研究方向
（1）先進電化學能源材料的設(shè)計與制備：納米碳材料，無機 有機及其雜化材料；
（2）能量存儲器件：鋰 鈉離子電池、鋰硫電池、鋅離子電池、超級電容器、其它新型儲能器件；
（3）高效能量轉(zhuǎn)換：納米催化（電催化、光電催化）、太陽能電池
（4）能量存儲-轉(zhuǎn)換一體化集成設(shè)計
學術(shù)成果
主持國家自然科學基金2項、"香江學者"計劃項目、陜西省創(chuàng)新人才推進計劃項目、陜西省自然科學基金面上項目2項、國家重點實驗室重點項目與探索項目3項、"翱翔新星"計劃1項、中央高?；A(chǔ)業(yè)務(wù)科研項目 1項、橫向課題1項；同時參與國家自然科學基金面上 重點項目、陜西省科技創(chuàng)新團隊等多個項目。迄今在Progress in Materials Science, ACS Nano, Nano Energy, Journal of Material ChemistryA, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon，Journal of Power Sources，Electrochimica Acta，Chemical Engineering Journal等多個國際高水平刊物上發(fā)表論文77篇，它引次數(shù)超過3300，ESI高被引論文11篇，熱點論文一篇，H因子31；受邀撰寫英文專著1章節(jié)。

黨的“二十大”報告指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。隨著現(xiàn)代社會對清潔能源與綠色環(huán)境的日益重視，與電化學相關(guān)的科學理論與先進技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，已逐漸形成了一個具有鮮明特色的新興學科。如今，電化學科學與技術(shù)在能量存儲與轉(zhuǎn)換、傳感器、新材料合成、電鍍與表面精飾、腐蝕與防護等許多領(lǐng)域都得到了如火如荼的前沿研究和廣泛應(yīng)用，其中借助電化學科學發(fā)展出來的電動汽車技術(shù)，我國更是走在了世界的前列，這是實現(xiàn)彎道超越國際傳統(tǒng)汽車技術(shù)的重要契機，必將成為增強科技自信的一張亮麗名片。
近年來，許多高校爭相在材料、化學化工、能源、環(huán)境、電子等傳統(tǒng)學科中設(shè)立與電化學交叉相關(guān)的新專業(yè)，如新能源材料與器件、能源化學工程、儲能科學與工程等。為了培養(yǎng)現(xiàn)代化高質(zhì)量人才和發(fā)展電化學學科，這些新興交叉專業(yè)迫切需要一本電化學的專業(yè)教材。電化學學科的急速發(fā)展，要求教材內(nèi)容既要兼顧基礎(chǔ)理論與前沿理論，同時也要注重新興電化學技術(shù)。
編著者根據(jù)近十年來培養(yǎng)本科生和研究生的教學經(jīng)驗，精心甄選本書內(nèi)容，力求使晦澀難懂的科學理論淺顯易懂，旨在讓學生重點掌握電化學基礎(chǔ)理論的專門知識，同時了解各種電化學技術(shù)的最新前沿發(fā)展動態(tài)，培養(yǎng)具有一定科學素養(yǎng)和辯證精神的高質(zhì)量人才。在完成本書學習的基礎(chǔ)上，根據(jù)興趣或?qū)I(yè)要求，可以進一步學習其他與電化學相關(guān)的專業(yè)課程，構(gòu)建一個利于學生學習的知識體系。
本課程的學習，需要學生具有一定的“物理化學”“材料熱力學”等課程的基礎(chǔ)知識，授課學時建議為40~60學時，部分內(nèi)容可以由學生自主學習。
本書由西北工業(yè)大學材料學院的老師共同編著，其中第1~5章、7~9章由王建淦教授執(zhí)筆編著，第6章由謝科予教授執(zhí)筆編著，全書由王建淦教授統(tǒng)稿。在本書編著的過程中，參考了大量的專業(yè)書籍和文獻資料，在此特向相關(guān)作者致以崇高的謝意。本書的編著和出版得到了“西北工業(yè)大學教材建設(shè)項目”的資助，在此表示感謝。
電化學涉及的科學理論和先進技術(shù)非常廣泛，且在迅速發(fā)展的過程中，各種新理論、新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，受編著者水平所限，書中難免有疏漏與不妥之處，敬請專家和廣大讀者批評指正。

編著者
2024年3月

第1章 電化學科學導論
1.1電化學概述 1
1.1.1淺識電化學 1
1.1.2電化學反應(yīng)的基本原則與法拉第定律 2
1.1.3電化學科學的研究對象 4
1.1.4電化學的實際應(yīng)用 4
1.2電解質(zhì)理論概要 6
1.2.1電解質(zhì)的分類 6
1.2.2水溶液電解質(zhì)與離子水化 8
1.2.3電解質(zhì)溶液的電導（率） 9
1.2.4電解質(zhì)溶液的活度 15
1.3電化學的發(fā)展歷史與趨勢 19
1.3.1電化學萌芽與初級階段 19
1.3.2電化學熱力學理論的發(fā)展 20
1.3.3電化學動力學理論的發(fā)展 21
1.3.4現(xiàn)代電化學的發(fā)展 21
思考題 22

第2章 電化學熱力學
2.1相間電位及其本質(zhì) 24
2.1.1相間電位 24
2.1.2內(nèi)電位、外電位與電化學位 25
2.2電極電位與參比電極 26
2.2.1電極電位的形成 26
2.2.2相對電位 27
2.2.3參比電極 28
2.3電極的可逆性與能斯特方程 29
2.3.1電池的可逆性 29
2.3.2可逆電池的熱力學性質(zhì) 30
2.3.3可逆電極及其電位 32
2.3.4標準電位序及其作用 34
2.4可逆電極與不可逆電極 36
2.4.1可逆電極類型 36
2.4.2不可逆電極及其特點 38
2.4.3不可逆電極類型 39
2.4.4電極可逆性的判別 40
2.4.5電極電位的影響因素 41
2.5液接電位與膜電位 43
2.5.1液接電位及其來源 43
2.5.2濃差電池 44
2.5.3液接電位的消除 45
2.5.4膜電極與膜電位 45
2.6電化學腐蝕與Pourbaix圖 47
2.6.1金屬的電化學腐蝕 47
2.6.2Pourbaix圖及其繪制 48
2.6.3水的Pourbaix圖 49
2.6.4Fe-H2O的Pourbaix圖的繪制及分析 50
2.6.5Fe-H2O的電化學腐蝕圖及其分析 53
2.6.6金屬的電化學防腐保護 55
2.6.7金屬Pourbaix圖的局限性 55
思考題 56

第3章 電極 溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
3.1理想極化電極 58
3.2電毛細曲線 59
3.2.1界面張力 59
3.2.2電毛細曲線的測量 60
3.2.3李普曼方程 61
3.2.4離子界面剩余量 62
3.3微分電容曲線 63
3.3.1平板電容器 63
3.3.2界面雙電層的電容特性 64
3.3.3微分電容曲線 65
3.3.4微分電容曲線與電毛細曲線的比較 66
3.3.5零電荷電位 66
3.4界面雙電層結(jié)構(gòu)模型 68
3.4.1緊密層結(jié)構(gòu)模型 68
3.4.2分散層結(jié)構(gòu)模型 69
3.4.3緊密-分散層結(jié)構(gòu)模型 69
3.4.4雙電層方程式 70
3.5緊密層的精細結(jié)構(gòu) 73
3.5.1電極界面的水偶極子層 74
3.5.2特性吸附 74
3.5.3內(nèi)緊密層和外緊密層 76
3.5.4緊密層結(jié)構(gòu)與微分電容 76
3.6電極 溶液界面的分子和原子吸附 78
3.6.1表面活性物質(zhì) 78
3.6.2有機物的界面吸附特點 79
3.6.3氫原子和氧的界面吸附特點 81
思考題 83

第4章 電化學動力學概論
4.1極化與極化曲線 85
4.1.1電極的極化與極化曲線 85
4.1.2過電位與極化度 86
4.1.3兩種電化學體系的極化圖 87
4.2電極過程的基本歷程及電化學反應(yīng)類型 90
4.2.1基本歷程 90
4.2.2電化學反應(yīng)的特點及其類型 91
4.3電極過程的決速步驟與極化類型 91
4.3.1反應(yīng)活化能 91
4.3.2決速步驟 92
4.3.3極化類型 93
4.4研究電極過程的分析方法 94
4.4.1近平衡態(tài) 94
4.4.2電極過程的分析步驟 94
思考題 95

第5章 電化學反應(yīng)動力學
5.1電化學反應(yīng)動力學理論發(fā)展簡介 96
5.2電化學反應(yīng)的活化能與反應(yīng)速度 97
5.2.1電化學反應(yīng)活化能 97
5.2.2電化學反應(yīng)速度 99
5.3Butler-Volmer方程 101
5.3.1Butler-Volmer基本方程及其特點 101
5.3.2電化學反應(yīng)動力學的基本參數(shù) 102
5.3.3平衡狀態(tài)下電極反應(yīng)動力學和熱力學之間的聯(lián)系 104
5.3.4電極反應(yīng)動力學性質(zhì)與交換電流密度的一般性規(guī)律 105
5.4單電子反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電化學極化特點 106
5.4.1高過電位下的極化特點 106
5.4.2低過電位下的極化特點 107
5.4.3電化學反應(yīng)動力學參數(shù)的測量原理 108
5.5多電子反應(yīng)動力學 109
5.5.1多電子電化學反應(yīng)的特征 109
5.5.2多電子反應(yīng)的Butler-Volmer方程 109
5.5.3多電子反應(yīng)的極化特點 111
5.6分散層對電化學反應(yīng)動力學的影響 112
5.6.1分散層結(jié)構(gòu)對電化學反應(yīng)動力學的影響 112
5.6.2φ1效應(yīng)下的反應(yīng)動力學方程 113
5.6.3φ1效應(yīng)對陰極還原反應(yīng)的影響 114
思考題 115

第6章 液相傳質(zhì)動力學
6.1液相傳質(zhì)方式 117
6.1.1液相傳質(zhì)的三種方式 117
6.1.2液相傳質(zhì)的基本方程 119
6.2理想穩(wěn)態(tài)擴散 119
6.2.1理想穩(wěn)態(tài)擴散的實現(xiàn) 119
6.2.2理想穩(wěn)態(tài)擴散的假設(shè)條件 120
6.2.3理想穩(wěn)態(tài)擴散的動力學規(guī)律 120
6.3濃差極化規(guī)律及判別 121
6.3.1濃差極化的基本規(guī)律 121
6.3.2判別方法 124
6.4非穩(wěn)態(tài)擴散 125
6.4.1菲克第二定律 125
6.4.2平面電極上的非穩(wěn)態(tài)擴散 126
6.5電化學極化與濃差極化共存時的動力學規(guī)律 128
6.5.1實際反應(yīng)中的極化現(xiàn)象 128
6.5.2混合控制時的動力學規(guī)律 128
6.5.3兩類極化規(guī)律特征的比較 130
思考題 130

第7章 電化學能量存儲技術(shù)
7.1電池的基本性能參數(shù) 132
7.1.1開路電壓與工作電壓 132
7.1.2容量與比容量 133
7.1.3庫侖效率和能量效率 134
7.1.4能量密度和功率密度 135
7.1.5倍率與循環(huán)壽命 136
7.1.6貯存性能與自放電 136
7.2鋰離子電池 137
7.2.1鋰離子電池概述 137
7.2.2電池結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理 137
7.2.3負極材料 138
7.2.4正極材料 139
7.2.5鋰離子電池的應(yīng)用 141
7.3鋰金屬電池 141
7.3.1鋰金屬負極的發(fā)展歷史與性能特點 141
7.3.2鋰一次電池 142
7.3.3鋰硫二次電池 143
7.3.4鋰-空氣電池 146
7.3.5金屬鋰負極的挑戰(zhàn)與解決策略 148
7.4鈉離子電池 150
7.4.1鈉離子電池概述 150
7.4.2電池結(jié)構(gòu)與儲鈉反應(yīng)原理 151
7.4.3正極材料 152
7.4.4負極材料 152
7.4.5電解質(zhì) 154
7.5鈉金屬電池 155
7.5.1鈉-硫電池 155
7.5.2鈉-氯化鎳電池 157
7.5.3鈉-空氣電池 158
7.6鋅金屬電池 159
7.6.1鋅-錳電池 159
7.6.2鋅-氧化銀電池 163
7.6.3鋅-空氣電池 166
7.6.4可充鋅離子電池 167
7.7液流電池 173
7.7.1液流電池的發(fā)展歷史 173
7.7.2液流電池的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理 174
7.7.3全釩液流電池 175
7.7.4鋅基液流電池 176
7.8傳統(tǒng)蓄電池 179
7.8.1鉛酸蓄電池 179
7.8.2鎳-鎘電池 179
7.8.3鎳氫電池 180
思考題 180

第8章 電化學能量轉(zhuǎn)換技術(shù)
8.1電催化技術(shù) 182
8.1.1電催化反應(yīng)的基本規(guī)律 182
8.1.2電催化劑的電子結(jié)構(gòu)效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)和表面結(jié)構(gòu)效應(yīng) 182
8.1.3電催化劑的關(guān)鍵性能參數(shù) 183
8.1.4氫電催化 186
8.1.5氧電催化 189
8.1.6氨電催化 192
8.1.7碳基電催化 194
8.2光電催化技術(shù) 195
8.2.1半導體的基本性質(zhì) 196
8.2.2半導體與溶液接觸時的界面性質(zhì) 198
8.2.3光電催化反應(yīng)過程 201
8.2.4光電催化分解水制氫 206
8.2.5光電催化二氧化碳還原 207
8.3燃料電池 208
8.3.1燃料電池及其特點 208
8.3.2燃料電池發(fā)展歷史 208
8.3.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 210
8.3.4燃料電池的效率 211
8.3.5燃料電池的類型 212
思考題 216

第9章 電化學合成與表面精飾技術(shù)
9.1電化學合成技術(shù) 217
9.1.1無機物電合成 217
9.1.2有機電合成 222
9.2金屬的電沉積 223
9.2.1金屬電沉積的基本歷程與特點 224
9.2.2金屬離子的陰極還原過程 224
9.2.3金屬的電結(jié)晶過程 227
9.2.4電鍍過程 229
9.3金屬陽極氧化 231
9.3.1兩種金屬氧化的方法 231
9.3.2金屬陽極氧化的極化曲線 232
9.3.3鋁的陽極氧化過程及成膜機理 234
9.3.4鈦及鈦合金陽極氧化過程及成膜機理 235
9.4電泳涂裝技術(shù) 236
9.4.1陽極電泳涂裝 237
9.4.2陰極電泳涂裝 237
思考題 238

附錄 部分溶液中反應(yīng)的標準電極電位（25℃）

參考文獻