电化学(1)

电化学在国民经济发展中应用的理解

我们都知道，化学在我们的生活中无处不在，它的存在为我们的生活带来了巨大的改变，尽管电化学只是其中的一个分支，但我们离不开它，就像我们离不开电一样，它已经成为社会不可缺少的一部分。

所谓电化学，是研究电子导电相（金属、半导体）和离子导电相（溶液、熔盐、固体电解质）之间的界面上所发生的各种界面效应，即伴有电现象发生的化学反应的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成，也可利用高压静电放电来实现（如氧通过无声放电管转变为臭氧），二者统称电化学，后者为电化学的一个分支，称放电化学。由于放电化学有了专门的名称，因而，电化学往往专门指“电池的科学”。

电池由两个电极和电极之间的电解质构成，因而电化学的研究内容应包括两个方面:一是电解质的研究，即电解质学，其中包括电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质等，其中电解质溶液的物理化学研究常称作电解质溶液理论;另一方面是电极的研究，即电极学，其中包括电极的平衡性质和通电后的极化性质，也就是电极和电解质界面上的电化学行为。电解质学和电极学的研究都会涉及到化学热力学、化学动力学和物质结构。

如今已形成了合成电化学、量子电化学、半导体电化学、有机导体电化学、光谱电化学、生物电化学等多个分支。电化学在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等科技领域获得了广泛的应用。当前世界上十分关注的研究课题, 如能源、材料、环境保护、生命科学等等都与电化学以各种各样的方式关联在一起。

如今如此辉煌的电化学成就也离不开曾经艰难的探索：

?在17世纪中叶，法国化学家 Charles François de Cisternay du Fay 发现了两种不同的静电，即同种电荷相互排斥而不同种电荷相互吸引。这便是电的双液体理论，这个理论被17世纪晚期Benjamin Franklin 的单液体理论所否定。

?1781年，查尔斯.奥古斯丁库仑在试图研究由英国科学家Joseph Priestley 提出的电荷相斥法则的过程中发展了静电相吸的法则。

?1791年伽伐尼发表了金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象，一般认为这是电化学的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基础上发明了用不同的金属片夹湿纸组成的“电堆”，即现今所谓“伏打堆”。这是化学电源的雏型。在直流电机发明以前，各种化学电源是唯一能提供恒稳电流的电源。1834年法拉第电解定律的发现为电化学奠定了定量基础。

?19世纪下半叶，赫尔姆霍兹和吉布斯的工作，赋于电池的“起电力”(今称“电动势”)以明确的热力学含义；1889年能斯特用热力学导出了参与电极反应的物质浓度与电极电势的关系，即著名的能斯脱公式；1923年德拜和休克尔提出了人们普遍接受的强电解质稀溶液静电理论，大大促进了电化学在理论探讨和实验方法方面的发展。

?20世纪40年代以后，电化学暂态技术的应用和发展、电化学方法与光学和表面技术的联用，使人们可以研究快速和复杂的电极反应，可提供电极界面上

分子的信息。电化学一直是物理化学中比较活跃的分支学科，它的发展与固体物理、催化、生命科学等学科的发展相互促进、相互渗透。

即便如此，电化学依然有非常好的发展前景，就比如化学电源在可再生能源发展中的应用：光能的储存、风能的储存、潮汐能的储存......

随着全球化石能源日益短缺和环境污染问题日益严重，研究开发新型可替代能源和高效清洁能源的转换技术已成为世界各国竞逐的热点。在新能源领域，储能电池作为高效洁净的能源存储和转换装置，具有重要的地位，已被列为国家中长期科学和技术发展规划纲要中重点和优先发展的方向。

在物理化学的众多分支中，电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用主要有：电解工业，其中的氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业；铝、钠等轻金属的冶炼，铜、锌等的精炼也都用的是电解法；机械工业使用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整；环境保护可用电渗析的方法除去氰离子、铬离子等污染物；化学电源；金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题；许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理。

目前工业上常用的领域有：

1）金属保护：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。

2）化学电源：燃料电池是最高效的，低或零污染排放，安全并且操作方的发电装置。

3）生物电化学：生物体系发生的一些过程与电化学过程有关，生物电化学是相对比较新的学科分支，是涉及到多学科的研究领域。

4）氯碱工业：这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。

当前我国储能电池的发展，已取得长足进展，但目前的技术水平, 特别是在能量密度、转换效率、以及循环寿命等关键指标方面，还难以满足新能源技术长远发展的需要。

21世纪,由于材料、能源、信息、生命、环境对电化学技术的要求,电化学新体系和新材料的研究将有较大的发展。目前可预见的有:

1)纳米材料的电化学合成;

2)纳米电子学中元器件、集成电路板、纳米电池、纳米光源的电化学制备;

3)微系统、芯片实验室的电化学加工以及界面动电现象在驱动微液流中的应用;

4)电动汽车的化学电源和信息产业的配套电源;

5)氢能源的电解制备;

6)太阳能利用实用化中的固态光电化学电池和光催化合成;

7)消除环境污染的光催化技术和电化学技术;

8)玻璃、陶瓷、织物等的自洁、杀菌技术中的光催化和光诱导表面能技术;

9)生物大分子、活性小分子、药物分子的电化学研究;

10)微型电化学传感器的研制。

随着可持续发展战略的展开和人们的环境意识、资源意识的增长，绿色科技将成为时代的迫切需求。电化学工业在社会效益和经济效益两个方面，都将日益显著。从化学的角度研究和发展反应界面(电极与介质) 的多样化的设计与修饰，发现新的表面或中介催化，提高反应的选择性，增加电极使用寿命，发现更多新的合成反应等，许多新概念、新方法将从中发现。从分子水平认识电极/界面

上以及本体相中的电化学现象及反应的机理，为电化学反应工程学的研究与开发提供了强有力的支持。

在我看来，电化学是一门非常有趣的领域，它为我们的生活带来了极大的便利，手机、电脑、手电、时钟等各个地方都有它的身影，而且相比其它能源来说，它拥有更加清洁、稳定、安全、可靠、可传到、易控制等优点。现在面临的困难主要是传导效率问题，和移动电源的存储能力较小等问题。我相信，电化学将会越来越广泛的存在于我们的生活当中，我也相信我国的电化学事业将会得到长远的发展。