应用电化学专业知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

应用电化学研究新进展第1页电化学是研究电和化学反应之间相互作用。电化学技术结果与人类生活和生产实际亲密相关,如化学电池、腐蚀保护、表面精饰、金属精炼、电化学传感器等等，同时也应用于电解合成、环境治理、人造器官、生物电池、心脑电图、信息传递等方面。电化学科学发展,推进了世界科学进步,促进了社会经济发展,对处理人类社见面临能源、交通、材料、环境保护、信息、生命等问题,已经作出并正在作出巨大贡献。第2页应用电化学在国民经济中应用化学电池与燃料电池金属腐蚀保护金属精炼与表面精饰电化学传感器第3页化学电池与燃料电池一、燃料电池基本介绍二、燃料电池工作原理三、燃料电池应用举例四、燃料电池前景展望第4页燃料电池介绍燃料电池(Fuel Cell)是一个将存在于燃料与氧化剂中化学能直接转化为电能发电装置。讲燃料和空气分别通入燃料电池，燃料电池就能产生电能。燃料电池概念是1839年G.R.Grove提出，至今已经有大约160年历史。第5页燃料电池工作原理燃料电池是以燃料和空气分别为还原剂和氧化剂，组成阳极和阴极，形成原电池，从而发出电能。因为不经过燃烧过程，直接将电能转化为化学能，从而含有较高能量转换效率。第6页图示为新型汽车氢图示为新型汽车氢氧燃料电池工作原氧燃料电池工作原理示意图。理示意图。分别通入氢气和氧分别通入氢气和氧气，在催化剂作用气，在催化剂作用下，氢气和氧气在下，氢气和氧气在电极上形成原电池电极上形成原电池反应，产生电能驱反应，产生电能驱动车轮。同时，回动车轮。同时，回收多出氢气，排出收多出氢气，排出水分，消除了普通水分，消除了普通汽车尾气污染，因汽车尾气污染，因而，氢氧燃料电池而，氢氧燃料电池被称为被称为“绿色电池绿色电池”。第7页燃料电池应用燃料电池以其高效率、低能耗、低污染，在许多领域都有了很好应用前景。燃料电池手机、燃料电池汽车、燃料电池笔记本电脑等新型产品都已经有了很好研究结果。燃料电池已经深入到我们生活，能够预见到，很快未来，燃料电池将以其种种优势，成为生活中不可或缺清洁能源。第8页各种不一样型号燃料电池，依据其用途不一样分别应用于汽车、手机、摄影机和MP3第9页图示分别为戴尔企业和东芝企业生产燃料电池笔记本，可自动供电连续工作达48小时以上，远远超出普通笔记本电脑电池工作时间。第10页上图为汽车燃料电池系统，下列图则是本田企业研发燃料电池汽车，速度可达180迈，可连续驾驶达18小时，已到达普通轿车各项指标，有望取代传统轿车，成为轿车市场新宠。第11页索尼企业研发出一个锂燃料电池，利用甲醇作燃料，索尼企业研发出一个锂燃料电池，利用甲醇作燃料，可用于手机、可用于手机、MP3MP3等电子设备瞬间充电，用锂聚合物等电子设备瞬间充电，用锂聚合物控制作用，克服了传统燃料电池功率不足缺点，瞬控制作用，克服了传统燃料电池功率不足缺点，瞬间电流可达间电流可达3W3W。第12页燃料电池展望燃料电池作为新型燃料电池，含有以下优势：能量转化效率高：不经过燃烧，直接将化学能转化为电能，不受卡诺循步骤制，效率可达45%60%，而火力发电站和核电站只有30%40%对环境污染小：没有硫氧化物和氮氧化物排放，也降低了二氧化碳排放，噪音排放也因无机械振动而降低。燃料使用范围广，电池负荷反应快，响应高等优点。第13页金属腐蚀防护金属腐蚀在生活中十分常见，全世界每年因腐蚀而造成金属损失相当于全世界金属产量1/4以上，我国因腐蚀造成经济损失达200亿以上。所以金属腐蚀防护研究含有很高现实意义。因为绝大部分金属腐蚀都是电化学腐蚀，所以，电化学方法在金属防护上有极大应用。惯用防腐蚀方法有调整PH、阴极保护、阳极保护、金属钝化、金属镀层。第14页调整PH值可起到防护作用。由图可见，调整PH在8-13之间，铁不会被腐蚀。因为电势低时，铁处于稳定区；电势高时，铁表面形成钝化膜，阻止被近一步腐蚀。所以钢铁工业中，常经过调整PH来预防钢铁被腐蚀。第15页阴极保护当当PHPH在在0909之间时，能够之间时，能够经过将铁电势降低到经过将铁电势降低到FeFe2+2+/Fe/Fe平衡电位平衡电位0.6V0.6V以以下，使之进入稳定区下，使之进入稳定区（虚线位置）来防止腐（虚线位置）来防止腐蚀。详细是将金属与直蚀。详细是将金属与直流电源阴极相连，从而流电源阴极相连，从而保护金属，这种方法称保护金属，这种方法称为为阴极保护阴极保护。在防护金。在防护金属设备被海水腐蚀上非属设备被海水腐蚀上非常有效。常有效。第16页阳极保护将金属与直流电源阳极连接，利用阳极极化，使金属钝化，并维持钝化状态，从而保护金属，这种方法称为阳极保护。第17页金属钝化金属表面状态改变使之含有金属表面状态改变使之含有贵金属稳定性过程叫贵金属稳定性过程叫金属钝金属钝化化。依据钝化原因，可分为。依据钝化原因，可分为自然钝化和阳极钝化。金属自然钝化和阳极钝化。金属钝化能够阻止金属被深入腐钝化能够阻止金属被深入腐蚀。蚀。左图左图a ba b两区域内，即为铬两区域内，即为铬钝化区域，如图所表示，能钝化区域，如图所表示，能够经过调整电势和够经过调整电势和PHPH来到达来到达调整钝化区域作用。调整钝化区域作用。第18页电解合成电解合成特点电解合成方法无机物电解合成有机物电解合成第19页电解合成特点电化学在合成一些物质时，含有以下优点：电化学在合成一些物质时，含有以下优点：一、电解合成能合成许多化学法无法合成物质。一、电解合成能合成许多化学法无法合成物质。因为经过调整电位，能够提供给反应足够能量。因为经过调整电位，能够提供给反应足够能量。二、可在常温常压下进行。电合成经过改变电位，二、可在常温常压下进行。电合成经过改变电位，使得许多需要高温高压反应，在常温常压下即可使得许多需要高温高压反应，在常温常压下即可进行。进行。三、易控制反应方向三、易控制反应方向四、对环境污染小，产品纯净。四、对环境污染小，产品纯净。第20页图示为电解工业中氯碱工业流程示意图。氯碱工业是以电解氯化钠水溶液为主，提取烧碱、氯气、氢气等产物工业。当前有隔膜槽、汞槽、离子膜法等方法。第21页有机物电解合成医药品、农药、香料等精细化学品，采取电解合成，相对于传统有机合成和发酵合成，有许多优势。有机电合成方法能够在温和条件下，制取许多精细化学品。用电子代替高污染氧化剂与还原剂，是一个对环境友好洁净合成。且反应电流电压可调，反应易控制。第22页有机电合成若干方向1.1.发展电解中特有反应。如己二腈电解还原合成。发展电解中特有反应。如己二腈电解还原合成。2.2.发展能缩短工艺过程电化学合成。如对发展能缩短工艺过程电化学合成。如对-氨基苯氨基苯甲醚合成，电化学法可缩短工艺过程。甲醚合成，电化学法可缩短工艺过程。3.3.发展使用廉价电化学合成。如糠醛电氧化合成发展使用廉价电化学合成。如糠醛电氧化合成呋喃羧酸。呋喃羧酸。4.4.利用相转移电解法。电化学反应易在水相中进利用相转移电解法。电化学反应易在水相中进行，导电率高，降低能耗。行，导电率高，降低能耗。5.5.发展三维电极电解。发展三维电极电解。6.6.利用修饰电极有机电合成。利用修饰电极有机电合成。7.7.精细化学品有机电合成。精细化学品有机电合成。第23页电解合成应用前景电解合成因为其易于控制、对环境污染小、可在常温常压下进行等优势，含有良好应用前景。但因为有消耗大量电能、占用厂房面积大、电极制造困难、电极易受污染易被腐蚀等缺点，限制了其应用前景。现阶段，国内外电解合成精细化学品研究极为活跃，研究结果众多。第24页电化学传感器电化学传感器是将化学改变转化为电信号，从而得到化学改变相关信息工具。电化学传感器分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器三类。电位传感器是将离子与离子电极产生电动势作为传感器输出，从而实现离子检测；电流型传感器是在被测物被氧化或还原过程中，经过流出电流作为传感器输出，从而实现检测；电导型传感器则是经过电解质溶液在氧化或还原后电导改变作为传感器输出，从而实现检测。第25页左图示为不一样类型电化学传感器，分别用于一氧化碳检测、硫氧化物检测、水体营养化检测和血糖监测。右图为交警使用酒精检测器，也应用了电化学传感器工作原理，属于电化学传感器。第26页生物传感器生物传感器是电化学传感器一个。生物传感器是生物传感器是电化学传感器一个。生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、用生物活性材料（酶、蛋白质、DNADNA、抗体、抗原、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合一门交叉生物膜等）与物理化学换能器有机结合一门交叉学科，已成为一个先进检测方法与监控方法，也学科，已成为一个先进检测方法与监控方法，也是物质分子水平快速、微量分析方法。生物传感是物质分子水平快速、微量分析方法。生物传感器技术在国民经济中器技术在国民经济中临床诊疗临床诊疗、工业控制工业控制、食品食品和药品分析和药品分析、环境保护以及生物技术环境保护以及生物技术、生物芯片生物芯片等研究中有着广泛应用前景。等研究中有着广泛应用前景。生物传感器结构：生物活性材料（生物传感器结构：生物活性材料（生物膜生物膜）、能）、能把信号转换为电信号物理或化学换能器（把信号转换为电信号物理或化学换能器（传感器传感器）。）。第27页待测物质经扩散作用进入生物膜，经分子识别，待测物质经扩散作用进入生物膜，经分子识别，发生生物反应，产生信息继而被对应传感器转变发生生物反应，产生信息继而被对应传感器转变成可定量和可处理电信号，再经二次仪表放大并成可定量和可处理电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。输出，便可知道待测物浓度。生物生物样品样品接接收收器器换换能能器器信信号号处处理理信号信号第28页2e2eMBMB（redred）H HMBMB（oxox）2H2H2 2OOMBMB（redred）H H2 2OO2 2+2H+2H+nmnm mmmmmmElectrodeElectrode反应层反应层反应层反应层扩散层扩散层扩散层扩散层表面反应表面反应表面反应表面反应生物分子生物分子生物分子生物分子纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料电分析化学测试探头是一个包括多相反应电极，其最基本测试信号起电分析化学测试探头是一个包括多相反应电极，其最基本测试信号起源于电极界面上电子传输、能量转换，界面结构或特征改变。源于电极界面上电子传输、能量转换，界面结构或特征改变。电极过程：电极过程：电极过程：电极过程：物质传输物质传输物质传输物质传输 物质界面行为物质界面行为物质界面行为物质界面行为 界面电子转移界面电子转移界面电子转移界面电子转移 物质转化物质转化物质转化物质转化-电极反应电极反应电极反应电极反应界面电场界面电场第29页总结在物理化学众多分支中，电化学是唯一以大工业在物理化学众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础学科。它应用主要有：为基础学科。它应用主要有：电解工业电解工业，其中氯，其中氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸无机物基础工业；碱工业是仅次于合成氨和硫酸无机物基础工业；金属冶炼工业金属冶炼工业，铝、钠等轻金属冶炼，铜、锌等，铝、钠等轻金属冶炼，铜、锌等精炼都用是电解法；精炼都用是电解法；机械工业机械工业使用电镀、电抛光、使用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件表面精整；电泳涂漆等来完成部件表面精整；环境保护环境保护可用可用电渗析方法除去氰离子、铬离子等污染物；电渗析方法除去氰离子、铬离子等污染物；化学化学电源电源；金属腐蚀防护金属腐蚀防护问题；问题；生物技术生物技术，许多生命，许多生命现象如肌肉运动、神经信息传递都包括到电化学现象如肌肉运动、神经信息传递都包括到电化学机理。应用电化学原剪发展起来各种电化学分析机理。应用电化学原剪发展起来各种电化学分析法已成为试验室和工业监控不可缺乏伎俩。法已成为试验室和工业监控不可缺乏伎俩。第30页应用电化学前景大有可为，希望大家为应用电化学做出自己贡献！第31页