电化学基础知识分享(三):电化学的应用

电化学基础知识分享(三):电化学的应用

前言

电化学可定义为:研究电子导电相和离子导电相之间的界面上所发生的界面现象的科学。近代电化学主要侧重于两类导体的界面(Interface)性质及界面上所发生变化的研究。电化学的发展可谓迅速,常见的基本模型有原电池和电解池(关于电化学一些较简单的基本原理,我们在这里就不多做介绍了,大家可以自行在常见的物理化学书中学习,我们尽量分享一些实用的信息)。虽然电化学中未知的还有太多,但它的基本理论和定律大都已经得到了证实,那么电化学已经应用的领域或具有应用前景的领域有哪些呢?

一、电解和电合成

氯碱工业:氯碱工业是世界上最大的电化学工业,它是通过电解食盐水,从而获得氯气和苛性钠的过程。氯气用于制备氯乙烯,进而合成得到 PVC,还可用作纸浆及纸的漂白剂和杀菌剂。

 

电解铝:电解铝就是通过电解得到纯度较高的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂,氧化铝作为溶质,以碳素体作为阳极,铝液作为阴极,通入强大的直流电后,在950℃-970℃下,在电解槽内的两极上进行电化学反应,即电解。

 

电解水:工业上H2和O2的生产还不是以电解水为主要途径,生产H2主要是水煤气或甲烷转化,生产O2主要是液态空气分馏法,虽然电解水需要消耗大量的电能,但是其潜力是巨大的,随着太阳能等可持续能源的利用,光解水也是一大趋势,特别是燃料电池的发展,电解水储存能量也成为了重要的发展趋势,电解水生产的气体纯度几乎是100%,可以有效防止燃料电池使用氢气作为燃料时的中毒。

电合成:也叫电化学合成,它有如下优点:以电为还原剂,不引入杂质,因而产品的纯度高;还原反应一步完成,工艺简单、产率高;设备简单,投资少;对反应中间过程可控。最近逐步兴起的有电合成有机物,电化学合成纳米颗粒,电化学剥离石墨合成石墨烯,电聚合形成聚苯胺等等。

二、金属腐蚀与防护

腐蚀是指固体(常指金属)在与液体接触时表面层转化成另一种不溶的化合物。腐蚀作用中以电化学腐蚀情况最为严重。随着人们对保护资源、能源和环境认识的不断提高,对腐蚀的严重危害的关注也在加深。工程材料的腐蚀破坏给国民经济和社会生活造成的严重危害已越来越为人们所认识。腐蚀造成了巨大的经济损失,每年有40%左右的钢铁被腐蚀。一般认为工业发达国家的腐蚀损失为国民经济总产量的4%左右。我国每年腐蚀掉不能回收利用的钢铁达 1000 多万吨,大相当于宝山钢铁厂一年的产量。

金属腐蚀控制的电化学方法:

(1)形成电镀层,即用直流电源以电沉积的方式在金属表面上沉积一层金属或合金镀层的方法。

(2)牺牲阳极保护。这种方法不利用外加电源,而是在被保护的金属物上连接一种电极电势更负的金属或合金。

(3)阳极保护。就是通过外加电流使被保护的金属进行阳极极化,从而使其腐蚀程度降到最低的一种电化学保护方法。

三、生物电化学

生物电化学是20世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科。它是用电化学的基本原理和实验方法,在生物体和有机组织的整体以及分子和细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷(包括电子、离子及其他电活性粒子)在生物体系和其相应模型体系中分布、传输和转移及转化的化学本质和规律的一门新型学科。

生物传感器:从电学角度考虑,细胞也是一个生物电的基本单位,它们还是一台台的“微型发电机”。细胞处于未受刺激时所具有的电势称为“静息电位”;细胞受到刺激时所产生的电势称为“动作电位”。而电位的形成则是由于细胞膜外侧带正电,而细胞膜内侧带负电的原因。既然细胞中存在着上述电位的变化,医生们便可用极精密的仪器将它测量出来,这就是人们常说的心电图。同时,这也促进了生物传感器的发展,微电极传感器是将生物细胞固定在电极上,电极把微有机体的生物电化学信号转变为电势。微生物电极已经在很多方面得到应用,由于它小的几何面积,使这种电极有应用到生物体内的可能。微生物传感器大大存进了人类的健康。

 生物电催化:它可定义为在生物催化剂酶的存在下加速电化学反应的一系列现象。在电催化体系中,生物催化剂的主要应用是:研制比现有无机催化剂更好的催化剂,进而促进合成生物体内有用的生物燃料。

四、化学电源

航空航天飞行器中都使用化学电源,如飞机、人造卫星和宇宙飞船等;在所有的机动车辆上都安装有蓄电池,用于启动、点火、照明或作为动力;大型发电站都使用大型电池组储备、调节电能的传输,医院、邮电等部门使用蓄电池作为应急电源,各种家用应急灯、监视报警器、移动电话、计算机、摄像机、电动车辆和电动玩具等都使用化学电源。因此电池是电化学应用的主要领域,也是电化学工业的主要组成部分。

一般把化学反应产生的化学能转换成电能的装置叫做化学电源或化学电池。化学电源有三种主要类型:活性物质仅能使用一次的电池叫一次电池;放点后经充电可继续使用的电源叫二次电池;活性物质由外部连续不断地供给电极的电池叫燃料电池。

一次电池:

锌锰电池是目前使用量最大的一次电池。其中常用的锰干电池以二氧化锰为正极,锌为负极,并以氯化铵水溶液为主电解液,用纸、棉或淀粉等使电解质凝胶化。主要用于照明、便携式收音机等。

二次电池:

常用的二次电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池。铅酸蓄电池是一种最有代表性的二次电池,几乎每个城市都有几个铅酸蓄电池厂,在各种电池中其用途最广,用量最大,是广泛用于各种机动车车辆、各种场合的备用电源、电站的负荷调整、各种电动工具的电源。使用碱性水溶液为电解液的二次电池称为碱性蓄电池,目前使用的碱性电池按正负极活性物质的种类可分为镍-镉蓄电池、镍-铁蓄电池、镍-锌蓄电池、氧化银-锌蓄电池、氧化银-镉蓄电池、空气-锌蓄电池及镍-氢蓄电池等。


锂离子电池也是一种二次电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。正极材料常用LixCoO2,LixNiO2,LixMnO4,LiFePO4等,负极常用锂离子嵌入的碳。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池。

燃料电池:

1839年Grove通过电解水生成的氢气和氧气的逆过程制造出第一个燃料电池;1889年L. Mond和C.Langer组装出燃料电池,提出燃料电池的概念;1932年F.T. Bacon制造出可以实际工作的碱性燃料电池;1962年,美国GE和NASA合作首次将燃料电池用于太空任务;1972年,杜邦公司研制出燃料电池专用的高分子电解质隔膜Nafion膜;1993年,加拿大的Ballard Power System公司推出第一辆以PEMFC为动力的电动汽车;2015年丰田Mirai燃料电池车在日本上市。充满Mirai的储氢罐大约需要3-5分钟,可以支持700公里续航里程,Mirai在日本的售价为700万日元左右,享受政府补贴后500万日元(折合人民币26.5万左右)。虽然其售价比其他同类的石油动力车还是要高出不少,但不得不说它的潜力是巨大的。


燃料电池是一种将化学物质中储存的化学能转变成电能的装置,电池本身不是储能物质,电极只是将化学能转换为电能。燃料电池的优点主要有:能量转换效率高,污染低,噪声低,发电能量可调节,储能物质选择范围宽,工作可靠性高。虽然燃料电池有上述优点,目前在大规模使用之前仍然有一些技术难点需要解决,这些技术问题包括:使用Pt等贵金属作为催化剂,成本过高;阴极过电位较高,能量损失较多;高温时电池寿命较短,稳定性有待提高;缺少完善的燃料供应体系。但总的来说,燃料电池具有良好的应用前景,上述问题已经成为世界范围内物理化学家的研究热点。

来源:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMzE5MzQ1NQ==&mid=2649302693&idx=1&sn=4e4ffce3388cb35ce51d3e5bdf014065&chksm=8eceaba5b9b922b31f1c261335eebdabba4cdd7b8dc5be9743abd6b9f7eb3dff339cc523c20f&scene=21#wechat_redirect

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