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腐蚀电池在材料制备和污染净化中的若干应用
汪的华，甘复兴，林安
（武汉大学资源与环境科学学院 430072 Email: wangdh@）
腐蚀电池是只能导致金属材料破坏而不能对外做有用功的短路原电池，其驱动力来自腐蚀反应的化学亲和势[1]。金属在环境中的腐蚀绝大多数情况下都是通过各种各样（异种金属、浓差、温差等）、或大或小（宏电池、微电池）、分布不一（均匀、局部）的腐蚀电池进行的。材料在环境介质的（电）化学作用下的破坏过程伴随着材料的消耗、腐蚀产物的生成以及能量的变化。虽然导致严重损害的结构部件的腐蚀是有害的，但很多情况下腐蚀反应又是可以利用的[2]。本文讨论腐蚀电池在超出材料腐蚀与防护之外的金属提炼、复合材料制备、污水处理和日常生活中的若干应用。
1. 金属提炼的电子媒介反应（electronically mediated reaction, EMR）[3,4]
以活泼金属（如钙、镁、钠）为还原剂与金属化合物反应是工业提炼金属钛、锆、钽、铌等难熔金属的常用方法，过去常常认为这一反应是一个氧化还原的化学反应过程，上世纪90年代MIT的Sadoway教授等认识到金属热还原提炼金属中可能包含有电子为媒介的电化学还原过程(EMR)，即金属的还原过程是以短路原电池的方式进行的，在高温下还原介质具有离子导电性时EMR过程在金属还原中占主导地位。他们设计实验在氯化钙熔盐中将固态氧化铌与金属钙短接，成功制备了金属铌粉。因反应过程中还原剂和氧化剂无需直接接触、反应副产物不会覆盖在目标产物上而阻碍反应的持续进行，相较传统的方法还原速度更快，一如在水溶液电解质中电化学腐蚀是金属腐蚀更易于和更普遍发生的腐蚀过程 [1]。
2. 碳/氧化物复合能源材料的制备[5-7]
电化学腐蚀过程中不溶性腐蚀产物往往会在阳极区或阴极区沉积而在材料表面形成致密或多孔的膜层，前者能对金属起到一定的钝化和防护作用，而后者则可能会恶化金属的腐蚀状况（如引起严重的局部腐蚀），但从另一个角度来看，基体材料和腐蚀产物又可作为整体看作一个新的复合材料，故有可能通过腐蚀电池反应直接制备复合功能材料。2004年Chen等发表了石墨经高锰酸钾溶液腐蚀后形成的石墨/二氧化锰复合材料可作为超级电容器储能材料，之后Long等采用纳米碳纤维/碳毡在不同条件下与高锰酸钾溶液反应，成功制备了高比容量的超级电容器复合材料；2006年Chen和Zhou采用高分辨电镜实验直接证实了在碳纳米管表面的这种腐蚀微电池及其在制备高比容CNTs/MnO2复合材料中的应用。这种利用腐蚀电池反应制备复合材料成为近年来能源材料制备的一个热点研究领域，值得腐蚀电化学工作者关注。
3. 在污水处理中的应用[8,9]
以铁屑和碳组成的腐蚀电池在20世纪70年代开始被用于工业废水处理，也称为微电解法、内电解法、铁屑过滤法等，其工作原理一是利用了腐蚀电池中的氧化还原反应对污染物的转化和去除作用，如铁和反应产生的新生态氢的还原作用可使高毒的重铬酸盐转化为低毒的三价铬、将有色的硝基苯还原为苯胺等；二是利用腐蚀产物如Fe(OH)3的混凝和沉淀作用；三还可以利用内电场的吸附富集作用。铁屑品种和表面状态、溶液pH值、铁/碳比、曝气量、停留时间、温度等这些可以影响腐蚀电池反应的因素对废水处理效果都会产生显著影响。综合研究报道，铁屑腐蚀电池已应用于印染废水、电镀废水等多行业废水的处理工程，对染料的脱色、废水除Cr6+、除砷氟、除油等均有良好的效果，具有适用范围广、使用寿命长、成本低廉、维护方便等优点，因以废铁屑为原料，同时还具有“以废治废”的意义。
4. 便携式取暖/热敷用品
腐蚀反应发生的过程中不仅会发生物质形态的变化，而且也会产生能量的耗散，铁氧腐蚀反应就是一个放热反应，10g铁与氧完全反应可释放约15千卡的热量。由于可以通过多种手段对铁氧腐蚀反应的速度进行调控，故其产热速率也可很好的调控，这样一个腐蚀反应过程已在军事上被用于高寒地区士兵野外取暖，商业上作为便携式取暖或热敷理疗产品。
参考文献：
[1] 曹楚南著，腐蚀电化学原理，北京：化学工业出版社，1984年
[2] 肖纪美，曹楚南著，材料腐蚀学原理，北京：化学工业出版社，2002年
[3] T. H. Okabe and D. R. Sadoway, J. Mater. Res., 1998, 12, 3372.
[4] T. H. Okabe, I. Park, K. T. Jacob and Y. Waseda, J. Alloys Compd., 1999, 288, 200.
[5] M. Wu, G. A. Snook, G. Z. Chen, D. J. Fray, Electrochem. Commun. 2004, 6, 499-504.
[6] Anne E. Fischer, Katherine A. Pettigrew, Debra R. Rolison, et al., Nano Letters, 2007, 7, 281-286
[7] X. Jin, W. Zhou, S. Zhang, G. Z. Chen, Small, 2007, 3,1513
[8] 汤心虎，甘复兴，乔淑玉，工业水处理，1998，18(6), 4
[9] H. Cheng, W. Xu, J. Liu, H. Wang, Y. He, G. Chen, J. Hazard. Mater., 2007, 146, 385

Beyond corrosion and protection of materials: Some applications of galvanic corrosion cell in materials preparation and pollutants abatement
Wang Dihua, Gan Fuxing, Lin An
(School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072)
Abstract: Galvanic (corrosion) cell plays a very important role in modern technology. However, its significance beyond corrosion and protection of materials itself is always under estimated. In this paper, some different applications of galvanic cell are demonstrated, specifically in the field of metal extraction, preparation of carbon/oxide composite materials, pollutants abatement of wastewater as well as the waste heat utilization in daily life.