第1章　绪论

1.1　电化学简介

电化学是物理化学学科的一个分支。顾名思义，电化学就是从电学现象与化学现象的联系去寻找化学变化规律的学科。经典电化学的主要理论支柱是电化学热力学、界面双电层和电极过程动力学。电化学热力学适用于平衡电化学体系，电极过程动力学适用非平衡电化学体系，双电层则为二者变化的桥梁。现代电化学又将统计力学和量子力学引入电化学的理论体系，开辟了在微观水平研究电化学的新领域。

因为电化学最早的研究对象是电池、电解、电镀过程，所以最初把电化学看作是研究电能与化学能相互转换的科学。但是随着研究的深入，出现了电渗析、电泳涂漆、化学镀、电化学腐蚀等新的研究对象，于是将电化学的定义扩展为研究电子导体与离子导体形成的带电界面性质及其上所发生变化的科学。近年来，随着电化学理论的发展及其与各学科领域的交叉，出现了量子电化学、光电化学、固体电化学、纳米电化学等许多新的研究领域，研究方法和理论模型开始深入到分子水平，建立和发展了在分子水平上检测电化学界面的现场谱学电化学技术。可以说电化学已经发展为控制离子导体、电子导体、半导体、量子半导体、介电体的本体及界面间荷电粒子存在和移动的科学。

电化学广泛应用于化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、环保等各工程技术领域之中，目前主要的实际应用大致分为以下几方面。

（1）化学电源。化学电源是把化学能转换成电能的装置，也就是通常所说的电池，例如锌锰电池、铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、金属锂电池、锂离子电池、燃料电池、空气电池、液流电池，以及介于传统静电电容和电池之间的新型的储能器件电化学超级电容器等。随着电器、信息、运输、通信、电力、军事等领域的发展，电池的需求量不断增长，电池工业发展迅速，其中新能源动力电池的发展引人注目。

（2）表面处理及精饰。表面处理工艺包括各种电镀、化学镀、电铸、阳极氧化、电泳涂漆等，目的是在基体材料表面上形成一层具有特定功能的表层。表面处理能为基体提供各种耐蚀性、装饰性或功能性涂镀层，种类繁多、应用广泛。如在钢铁表面镀锌、镀镉、镀锡或镀锌合金可提高耐蚀性，枪炮管内的硬铬镀层具有耐磨性，轴瓦上的铅锡合金镀层具有减摩性，转子发动机内腔的铬镀层是抗高温氧化镀层，机械零件上的铜镀层能防止基体钢铁进行热处理时渗碳。在电子信息产业微型化过程中，芯片制作、微机电系统等的发展，都离不开电镀工艺。电化学表面处理技术已发展成为制备各种现代功能新材料及表面超微加工、改性、修饰的重要方法。

（3）电解冶金。电解冶金就是通过电解法使金属离子在阴极还原析出，按其过程的目的及特点，可分为电解提取和电解精炼。电解提取时采用不溶性阳极，使电解液中的金属离子在阴极还原，制得纯金属。电解精炼则采用以其他方法炼制的粗金属作为阳极进行电解，通过选择性的阳极溶解及阴极沉积，达到分离杂质和提纯金属的目的。

（4）电合成。电合成是指以电解方法合成化学物质，包括制取无机单质或化合物的无机电合成以及制取有机化合物的有机电合成。如规模巨大的氯碱工业（电解食盐水制取氯气和氢氧化钠）、尼龙原料己二腈的电合成（用丙烯腈为原料在铅阴极上电还原制造己二腈），以及高锰酸钾、二氧化锰、氯酸钠、次氯酸钠、双氧水、碘仿、四乙基铅、香草醛、L-半胱氨酸等的电合成。

（5）电解加工。电解加工是在高电流密度下，于流动的电解液中，以被加工的金属工件作为阳极，利用阳极溶解原理进行金属加工方法。电解加工以其加工速度快、表面质量好、凡金属都能加工而且不怕材料硬、韧等优点，特别适用于形状复杂的零件和硬质合金材料的加工，广泛用于航空工业、军事工业、发电设备业加工各种叶片、叶轮、模具和其他零件。随着科技发展，目前已经开发出计算机控制的数控仿型电解加工，以及电解加工与其他加工（电火花、机械、化学、激光、超声等）联用的电解复合加工等许多新型工艺技术。

（6）金属腐蚀与防护。金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏现象或过程称为腐蚀。全世界每年由于金属腐蚀遭受的损失非常严重。金属腐蚀包括电化学腐蚀、化学腐蚀及微生物腐蚀，其中电化学腐蚀最为普遍，造成的危害也最严重。因此，研究腐蚀的原因以及采取相应的防腐措施就成为电化学研究的重要内容之一。如采用缓蚀剂、防腐涂层、电化学阴极保护与阳极钝化等方法进行金属的电化学保护，以及腐蚀监控传感技术等。

（7）电化学分离技术。采用电化学法分离不同离子的技术，一般会配合离子交换膜使用。如应用于工业生产或废水处理中的电渗析法、电凝聚法、电气浮法、电氧化法、电还原法、电吸附法等分离技术。电化学已经成为解决环境污染问题的一个重要方法，电化学方法治理废水一般无需添加化学药品，设备体积小，污泥量少，后处理极为简单，用电还原法处理重金属废水还可回收金属。

（8）电分析化学。电分析化学是利用物质的电化学性质进行表征和测量的分析方法。它是使待测对象组成一个电化学池，通过测量电位、电流、电量或电导等物理量，实现对待测物质的组成及含量的分析。早期有库仑滴定法、电导滴定法、高频滴定法等。1922年极谱法问世，标志着电分析方法的发展进入了新的阶段，极谱学创始人海洛夫斯基因此获得了诺贝尔化学奖。近些年出现的各种溶出伏安法、微电极伏安法等分析方法不但易于实现连续自动记录分析结果，而且还有利于对痕量物质的检测，在工业、农业、环境保护、医药卫生等方面应用广泛。

除以上经典应用领域外，随着科技的发展，电化学与其他学科的联系越来越紧密，还在不断地涌现出新的交叉学科，应用范围也在不断扩大。