電催化原理及應(yīng)用

電催化原理及應(yīng)用化學(xué)13-1高龍飛2.電化學(xué)催化原理3.電催化特點1.引言4.電催化電極5.影響電催化的因素6.電催化的前景許多化學(xué)反響盡管在熱力學(xué)上是可行的，但由于反響速度太小而沒有實際意義。為了使這類反響具有使用價值，就需要引入催化反響和催化劑，以降低總反響的活化能、提高反響速率。--化學(xué)催化因此而誕生。常規(guī)催化作用機理光合作用中酶參與的催化作用酶的催化作用過程1.機理：降低反響的活化能。2.需要催化劑的參與。3.催化改變化學(xué)反響速率而不影響化學(xué)平衡的作用。4.本質(zhì)上是一種化學(xué)作用。5.反響前后催化劑的量和質(zhì)均不發(fā)生改變的反響。6.常規(guī)催化的關(guān)鍵是催化劑。電催化的定義在電場作用下電極外表或液相中的物質(zhì)促進或抑制電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反響，而電極外表或溶液中物質(zhì)本身并不發(fā)生變化的化學(xué)作用。選用適宜的電極材料，以加速電極反響的作用。所選用的電極材料在通電過程中具有催化劑的作用，從而改變電極反響速率或反響方向，而其本身并不發(fā)生質(zhì)的變化。與常規(guī)的催化化學(xué)相比1.在常規(guī)的化學(xué)催化中，反響物和催化劑的電子轉(zhuǎn)移是在限定區(qū)域進行的，因此，在反響過程中既不能從外電路導(dǎo)入電子也不能從反響體系導(dǎo)出電子。在電極催化反響中有純電子的轉(zhuǎn)移，電極作為反響的催化劑，既是反響的場所，又是電子的供受場所。2.常規(guī)的化學(xué)催化電子的轉(zhuǎn)移催化無法從外部加以控制，而電催化可以利用外部回路控制電流，從而控制反響。電催化特點電催化作用覆蓋著電極反響和催化作用兩個方面，因此電催化劑必需同時具有這兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；②能對底物進行有效的催化活化作用。能導(dǎo)電的材料并不都具有對底物的活化作用，反之亦然。電催化電極電極------是指與電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，它既是電子貯存器，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的輸入或輸出，又是電化學(xué)反響發(fā)生的場所。電催化電極------首先是一個電子導(dǎo)體，其次要具有催化功能。即對電化學(xué)反響進行某種促進和選擇。催化電極組成和結(jié)構(gòu)1.根底電極所謂根底電極，也叫電極基質(zhì)，是指具有一定強度、能夠承載催化層的一類物質(zhì)。一般采用貴金屬電極和碳電極。根底電極無電催化活性，只承擔(dān)著作為電子載體的功能。高的機械強度、良好的導(dǎo)電性和與電催化組成具有一定的親和性是對根底電極根本的要求。2.外表材料目前電催化電極外表材料主要涉及過渡金屬及半導(dǎo)體化合物。它們的共同作用就是降低復(fù)雜反響的活化能，到達(dá)電催化的目的。而半導(dǎo)體的特殊能帶結(jié)構(gòu)使產(chǎn)物不易被吸附在電極外表，所以氧化速率還要高于一般電極。電極對催化材料的要求有：反響外表積要大；有較好的導(dǎo)電能力；吸附選擇性強；在使用環(huán)境下的長期穩(wěn)定性；盡量防止氣泡的產(chǎn)生；機械性能好；資源豐富且本錢低；環(huán)境友好。3.載體根底電極與電催化涂層有時親和力不夠，致使電催化涂層易脫落，嚴(yán)重影響電極壽命。所謂電催化電極的載體就是一類起到將催化物質(zhì)固定在電極外表，且維持一定強度的一類物質(zhì)。4.電極外表結(jié)構(gòu)電催化電極的外表微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)也是影響電催化性能的重要因素之一。而電極的制備方法直接影響到電極的外表結(jié)構(gòu)。無論是提高催化活性還是提高孔積率，改善傳質(zhì)、改進電極外表微觀結(jié)構(gòu)都是一個重要手段，因而電極的制備工藝絕對是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。催化電極的材料1.金屬電極金屬電極是指以金屬作為電極反響界面的裸露。電極，除堿金屬和堿土金屬外，大多數(shù)金屬作為電化學(xué)電極均有很多研究報道，特別是氫電極反響。2.碳素電極3.金屬氧化物電極導(dǎo)電金屬氧化物電極具有重要的電催化特性，這類電極大多為半導(dǎo)體材料，實際上對這類材料性質(zhì)的研究是以半導(dǎo)體材料為根底建立的。4.非金屬化合物電極一般所說的非金屬電極是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金屬材料作為電極材料，最大的優(yōu)勢在于這類材料的特殊物理性質(zhì)，如高熔點、高硬度、高耐磨性、良好的腐蝕性以及類似金屬的性質(zhì)等。催化電極的特性電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟〞的地位，電催化特性是電化學(xué)處理技術(shù)用電極的核心內(nèi)容。我們既希望電極對所要處理的有機物表現(xiàn)出高的反響速率，又要有好的選擇性。催化電極的功能：既能導(dǎo)電，又能對反響物進行活化，提高電子的轉(zhuǎn)移速率，對電化學(xué)反響進行某種促進和選擇。因此，良好的電催化電極應(yīng)該具備以下幾項性能：1.良好的導(dǎo)電性，至少與導(dǎo)電材料〔例如石墨、銀粉〕結(jié)合后能為電子交換反響提供不引起嚴(yán)重電壓降的電子通道，即電極材料的電阻不能太大；2.高的催化活性，即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的催化反響，抑制不需要或有害的副反響；3.良好的穩(wěn)定性，即能夠耐受雜質(zhì)及中間產(chǎn)物的作用而不致較快地被污染或中毒而失活，并且在實現(xiàn)催化反響的電勢范圍內(nèi)催化外表不至于因電化學(xué)反響而過早失去催化活性，此外還包括良好的機械物理性質(zhì)，外表層不脫落、不溶解。影響電催化的因素影響處理效果的的主要因素可分四個方面，即電極材料、電解質(zhì)溶液、廢水的理化性質(zhì)和工藝因素(電化學(xué)反響器的結(jié)構(gòu)電流密度、通電量等)。其中，電極材料是近年研究的重點。1.電極材料在電解法處理有機廢水的過程中，電極不僅起著傳送電流的作用，而且對有機物的氧化降解起催化作用，電極材料選擇的好壞，直接影響有機物降解效率的上下。電解過程主要是通過陽極反響來降解有機物的，而且電位越高，有機物的脫除效果越明顯。但電位過高會受到陽極材質(zhì)腐蝕和多種副反響的制約，主要競爭副反響是陽極氧氣的析出，因此催化電極應(yīng)具有較高的析氧超電勢。2.電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液對有機物的電化學(xué)催化氧化的影響主要表達(dá)在兩個方面:〔1〕電解質(zhì)溶液的濃度〔2〕電解質(zhì)的種類。3.廢水的理化性質(zhì)同一電極對不同有機物表現(xiàn)出不同的電催化氧化效率。廢水體系的pH值等因素也常常會影響電極的電氧化效率。4.工藝因素盡量設(shè)計需要設(shè)計時空效率高、能耗低的電化學(xué)反響器。前景電催化電極不僅具有很好的節(jié)能、降耗作用,而且在電化學(xué)水處理技術(shù)中起著極其重要作用,特別是電化學(xué)水處理技術(shù)對有機物具有特殊的降解能力,因而被水處理界寄予厚望,具有非常廣闊的應(yīng)用前景,在環(huán)境保護中占有重要的位置。當(dāng)前