王堅(jiān)電化學(xué)專題課件

王堅(jiān)教授電化學(xué)專題課歡迎參加王堅(jiān)教授的電化學(xué)專題課程。本課程將深入探討電化學(xué)的基本原理、應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢。課程大綱1基礎(chǔ)理論電化學(xué)基本原理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)2電池技術(shù)電池工作原理、分類、鋰離子電池、金屬-空氣電池3燃料電池各類燃料電池概述及原理4應(yīng)用領(lǐng)域能源、環(huán)境、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的電化學(xué)應(yīng)用電化學(xué)基本原理氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移過程是電化學(xué)反應(yīng)的核心電極與電解質(zhì)電極提供電子傳輸，電解質(zhì)提供離子傳輸電化學(xué)勢驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)因素法拉第定律電化學(xué)反應(yīng)中電量與物質(zhì)量的關(guān)系電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率電化學(xué)反應(yīng)速率與電流密度、濃度、溫度等因素的關(guān)系活化能反應(yīng)進(jìn)行所需的最小能量過電位實(shí)際電極電位與平衡電位的差值塔菲爾方程描述過電位與電流密度的關(guān)系電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)電極界面過程包括電荷轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳輸和吸附/脫附過程速率控制步驟決定整個(gè)電極反應(yīng)速率的最慢步驟Butler-Volmer方程描述電極反應(yīng)速率與過電位的關(guān)系電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)1吉布斯自由能2電化學(xué)勢3尼恩斯特方程4標(biāo)準(zhǔn)電極電位電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)研究反應(yīng)的spontaneity和平衡條件。電極電位的測量電位計(jì)法使用高阻抗電壓表測量電極電位參比電極提供穩(wěn)定的參考電位恒電位儀精確控制和測量電極電位電極極化曲線陽極極化曲線描述氧化反應(yīng)的電流-電位關(guān)系陰極極化曲線描述還原反應(yīng)的電流-電位關(guān)系塔菲爾區(qū)域電流與過電位呈對數(shù)關(guān)系的區(qū)域極限擴(kuò)散電流由物質(zhì)傳輸限制的最大電流電化學(xué)反應(yīng)過程1物質(zhì)傳輸反應(yīng)物從溶液體相到電極表面的遷移2電荷轉(zhuǎn)移電子在電極和反應(yīng)物之間的轉(zhuǎn)移3表面反應(yīng)電極表面的化學(xué)反應(yīng)或相變4產(chǎn)物擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)物從電極表面擴(kuò)散到溶液中電池工作原理陽極氧化陽極釋放電子，發(fā)生氧化反應(yīng)電子流動(dòng)電子通過外電路從陽極流向陰極陰極還原陰極接受電子，發(fā)生還原反應(yīng)離子遷移電解質(zhì)中的離子在電極間遷移，保持電荷平衡電池分類和特性一次電池不可充電，使用后報(bào)廢二次電池可多次充放電使用燃料電池連續(xù)供應(yīng)燃料，可持續(xù)發(fā)電電池電極反應(yīng)過程陽極反應(yīng)活性物質(zhì)失去電子，被氧化例：鋅電極：Zn→Zn2?+2e?陰極反應(yīng)活性物質(zhì)得到電子，被還原例：銅電極：Cu2?+2e?→Cu可充電電池:鋰離子電池1工作原理基于鋰離子在正負(fù)極間的嵌入和脫出2正極材料常用LiCoO?、LiFePO?等3負(fù)極材料主要為石墨，新型材料如硅基負(fù)極4電解質(zhì)有機(jī)溶劑中的鋰鹽，如LiPF?金屬-空氣電池高能量密度理論能量密度遠(yuǎn)超鋰離子電池環(huán)境友好使用空氣中的氧氣作為活性物質(zhì)成本優(yōu)勢陰極材料成本低，結(jié)構(gòu)簡單技術(shù)挑戰(zhàn)可充電性能和循環(huán)壽命需要提高燃料電池概述1高效清潔2連續(xù)供能3多種燃料4廣泛應(yīng)用燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效率、低排放等優(yōu)點(diǎn)。固體電解質(zhì)燃料電池特點(diǎn)高溫工作（600-1000℃）高效率（可達(dá)60%）燃料適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)用分布式發(fā)電大型發(fā)電站熱電聯(lián)供系統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池低溫運(yùn)行工作溫度通常在80℃左右快速啟動(dòng)適合交通工具應(yīng)用高功率密度體積小，輸出功率大溶融碳酸鹽燃料電池高溫運(yùn)行工作溫度在600-700℃內(nèi)部重整可直接使用天然氣等碳?xì)淙剂细咝孰娦士蛇_(dá)60%，熱電聯(lián)供效率更高長壽命連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)40,000小時(shí)以上固體氧化物燃料電池1高溫運(yùn)行800-1000℃2全固態(tài)結(jié)構(gòu)無液體電解質(zhì)3燃料靈活性可使用多種燃料4高效率電效率可達(dá)60%以上電化學(xué)傳感器氣體傳感器檢測有毒氣體、氧氣等生物傳感器檢測葡萄糖、蛋白質(zhì)等生物分子離子選擇性電極測量特定離子濃度電化學(xué)腐蝕與防護(hù)腐蝕機(jī)理電化學(xué)氧化還原反應(yīng)陽極溶解，陰極還原防護(hù)方法陰極保護(hù)陽極保護(hù)涂層保護(hù)電化學(xué)技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用電化學(xué)儲(chǔ)能大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能，平衡可再生能源輸出電解制氫利用可再生能源電解水制氫二氧化碳還原電化學(xué)轉(zhuǎn)化CO?為有用化學(xué)品電動(dòng)汽車電池和燃料電池驅(qū)動(dòng)的清潔交通工具電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用水處理電解除氟、電凝聚去除污染物空氣凈化電化學(xué)去除VOCs和顆粒物土壤修復(fù)電動(dòng)力學(xué)去除重金屬污染電化學(xué)分析技術(shù)1伏安法測量電流-電壓關(guān)系，分析物質(zhì)濃度和反應(yīng)機(jī)理2電位法測量電位變化，確定反應(yīng)終點(diǎn)或物質(zhì)濃度3電導(dǎo)法測量溶液電導(dǎo)率，分析離子濃度和移動(dòng)性4電化學(xué)阻抗譜研究電極界面過程和材料性質(zhì)電化學(xué)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用生物傳感器快速檢測血糖、病毒、細(xì)菌等藥物釋放系統(tǒng)電化學(xué)控制的智能藥物輸送神經(jīng)刺激治療帕金森病、慢性疼痛等生物燃料電池利用體內(nèi)葡萄糖發(fā)電，為植入設(shè)備供能未來電化學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢新能源材料開發(fā)高性能電池材料和催化劑智能電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)合人工智能優(yōu)化電化學(xué)過程納米電化學(xué)研究納米尺度電化學(xué)現(xiàn)象和應(yīng)用綠色電化學(xué)發(fā)展環(huán)境友好的電化學(xué)工藝和產(chǎn)品電化學(xué)技術(shù)的重要性和前景30%能源效率提升電化學(xué)技術(shù)可顯著提高能源轉(zhuǎn)換和利用效率40%減少碳排放電化學(xué)技術(shù)在清潔能源和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用2X市場規(guī)模增長預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)電化學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將翻倍課程總結(jié)與展望1基礎(chǔ)理論2關(guān)鍵技術(shù)3應(yīng)用領(lǐng)域