电催化氧化技术降解有机物的机理word版本
PbO2形稳阳极的制备及其电催化氧化降解有机污染物的作用机制
PbO2形稳阳极的制备及其电催化氧化降解有机污染物的作用机制电化学氧化技术被证实是去除废水中难降解有机污染物的有效方法,显示出良好的应用前景和发展潜力,成为当前工业废水处理领域的研究热点。
发展电氧化技术的首要关键是高性能、低成本电极材料的开发。
钛基PbO<sub>2</sub>形稳阳极由于具有良好的导电和耐蚀性、较高的析氧过电位、较低的成本以及强氧化能力,成为被广泛研究和应用的阳极材料对象。
为进一步改善PbO<sub>2</sub>电极的电催化活性与稳定性,本论文提出将微量咪唑基离子液体（ILs）添加至电沉积溶液中,利用ILs特有的电化学性质与吸附性,对钛基PbO<sub>2</sub>电极进行修饰改性制备,系统考察了ILs分子结构、添加浓度、沉积温度、电流密度等工艺条件对PbO<sub>2</sub>电极涂层晶体结构、形貌及性能的影响特性;通过对PbO<sub>2</sub>电沉积过程的原位电化学分析,以及ILs改性前后PbO<sub>2</sub>涂层的微观晶体和电子结构的表征,分别从电极材料的制备及结构角度阐释ILs对PbO<sub>2</sub>电极的改性机理,从而为应用于难降解有机废水处理领域的高性能阳极材料的制备提供借鉴。
同时,对PbO<sub>2</sub>电极氧化降解有机物过程中的羟基自由基（·OH）检测方法、产生规律及影响因素进行了系统研究,确立了降解过程中·OH生成量与有机物降解效率、历程的内在联系,为电氧化生物难降解有机污染物作用机制的阐释提供了事实依据。
论文研究丰富了环境电化学的内容,为电化学法处理有机污染物提供了理论基础和技术支持,主要研究工作和结论如下:（1）将1-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐（[Emim]BF4）添加到Pb（NO3）2混合电积溶液中,通过阳极氧化电沉积法可以制备得到结晶良好、晶粒大小均匀、表面致密平整的钛基β-PbO<sub>2</sub>形稳阳极材料。
第七讲 电催化氧化技术
二是电化学燃烧过程， 二是电化学燃烧过程，即将有机污染物深 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。电化学燃 烧较普通的燃烧所需的温度低， 烧较普通的燃烧所需的温度低，并且产生的二 次污染物少。这两种过程的实质是一样的， 次污染物少。这两种过程的实质是一样的，只 是氧化反应的程度不同。 是氧化反应的程度不同。 电化学技术的基本原理是使污染物在电极 上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的 强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变 后者被称为间接电化学转化, ,后者被称为间接电化学转化,直接电化学转化 通过阳极氧化可使有机污染物和部分无机污染 物转化为无害物质, 物转化为无害物质,阴极还原则可从水中去除 重金属离子. 重金属离子.
阳极催化氧化降解有机物的基本原理是利用 有催化剂的阳极电极， 有催化剂的阳极电极，使吸附在其表面的有机 污染物发生催化氧化反应， 污染物发生催化氧化反应，使之降解为无害的 物质，或降解成容易进行生物降解的物质， 物质，或降解成容易进行生物降解的物质，再 进行进一步的生物降解处理。 进行进一步的生物降解处理。 有机污染物在催化阳极上的直接氧化按其生 成产物的特征分为两种过程。 成产物的特征分为两种过程。 一是电化学氧化过程， 一是电化学氧化过程，主要依靠阳极的氧化 作用， 作用，将吸附在电极表面的有机污染物直接氧 化降解生成小分子， 化降解生成小分子，把有毒物质转变为无毒物 质，或把难以进行生物降解的有机污染物转化 为容易进行生物降解的物质。 为容易进行生物降解的物质。
一种是物理吸附的活性氧, 一种是物理吸附的活性氧,即吸附的羟基自 由基,另一种是化学吸附的活性氧, 由基,另一种是化学吸附的活性氧,即进入氧化 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 当溶液中有有机物存在时， 当溶液中有有机物存在时，物理吸附的氧 OH)在 电化学燃烧”过程中起主要作用， (·OH)在“电化学燃烧”过程中起主要作用，而化 学吸附的氧(MOx+1 则主要参与“电化学转化” 学吸附的氧(MOx+1)则主要参与“电化学转化”， 即对有机物进行有选择的氧化( 即对有机物进行有选择的氧化(对芳香类有机 物起作用而对脂肪类有机物不起作用) 物起作用而对脂肪类有机物不起作用)。 电催化反应的共同特点是反应过程包含两个 以上的连续步骤, 以上的连续步骤,且在电极表面上生成化学吸 附中间物。 附中间物。
电催化氧化设备工作原理
电催化氧化设备工作原理电催化氧化设备的反应原理是以铝、铁等金属为阳极，在直流电的作用下，阳极被溶蚀，产生Al、Fe等离子，在经一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程，发展成为各种羟基络合物、多核羟基络合物以至氢氧化物，使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而分离，同时带电的污染物颗粒在电场中泳动，其部分电荷被电极中和而促使其脱稳聚沉。
废水进行电解絮凝处理时，不仅对胶态杂质及悬浮杂质有凝聚沉淀作用，而且由于阳极的氧化作用和阴极的还原作用，能去除水中多种污染物。
(1)氧化机理电解过程中的氧化作用可以分为直接氧化，即污染物直接在阳极失去电子而发生氧化；和间接氧化，利用溶液中的电极电势较低的阴离子，例如OH-、Cl-在阳极失去电子生成新的较强的氧化剂的活性物质如[O]、[OH]、Cl2等。
利用这些活性物质氧化分解水中的BOD5、COD、NH3-N等。
(2)还原机理电解过程中的还原作用也可以分为两类。
一类是直接还原，即污染物直接在阴极上得到电子而发生还原作用。
另一类是间接还原，污染物中的阳离子首先在阴极得到电子，使得电解质中高价或低价金属阳离子在阴极得到电子直接被还原为低价阳离子或金属沉淀。
(3)絮凝机理可溶性阳极如铁铝等，通以直流电后，阳极失去电子，形成金属阳离子Fe2+、Al3+，与溶液中的OH-结合生成高活性的絮凝基团，其吸附能力极强，絮凝效果优于普通絮凝剂，利用其吸附架桥和网捕卷扫等作用，可将废水中的污染物质吸附共沉而将其去除。
(4)气浮机理电催化氧化是对废水进行电解，水分子电离产生H+和OH-，在电场驱动下定向迁移，并在阴极板和阳极板表面分别析出氢气和氧气。
新生成的气泡直径非常微小，氢气泡约为10～30μm，氧气泡约为20～60μm；而加压溶气气浮时产生的气泡直径为100～150μm，机械搅拌时产生的气泡直径为800～1000μm。
由此可见，电解产生的气泡捕获杂质微粒的能力比后两者高，且气泡的分散度高，作为载体粘附水中的悬浮固体而上浮，这样很容易将污染物质去除。
电催化氧还原反应的机理研究
电催化氧还原反应的机理研究电催化氧还原反应是一种重要的电化学反应，在能源转换和环境保护领域具有广泛的应用。
深入研究电催化氧还原反应的机理，对于提高催化剂的性能和设计高效的氧还原反应器件具有重要意义。
本文将从原理、催化剂以及机理三个方面探讨电催化氧还原反应的机理研究。
一、原理电催化氧还原反应是指在电极表面上通过电催化剂的作用将氧气还原为水或其他简单氧化物的反应。
该反应通常发生在氧还原反应的两个半反应过程中，首先是氧气分子在电极表面被还原成离子态的氧物种，然后这些氧物种进一步参与反应生成水或其他氧化物。
二、催化剂催化剂在电催化氧还原反应中起到了关键作用。
常用的催化剂包括过渡金属和电子传递物质等。
过渡金属催化剂的活性中心通常是金属的表面或边缘位点，而电子传递物质则是将电子从电极传递到氧物种的中间体。
催化剂的选择和设计对于电催化氧还原反应的效率和选择性具有重要的影响。
三、机理电催化氧还原反应的机理研究是了解反应过程和催化机制的关键。
在反应机理的研究中，常用的方法包括实验测量、理论计算和原位表征等。
通过这些方法可以揭示反应中的关键步骤、中间体以及速率控制步骤等。
例如，实验测量可以通过电化学方法研究反应速率和电催化剂的电化学行为，原位表征可以通过表面技术对催化剂的结构和组成进行研究，而理论计算可以通过计算模拟揭示反应机理中的分子运动和能垒等。
这些方法相互结合，可以提供全面的反应机理信息。
总结电催化氧还原反应的机理研究对于催化剂设计和氧还原反应器件的开发具有重要的意义。
在了解反应的原理基础上，选择合适的催化剂，并结合实验测量、理论计算和原位表征等方法可以揭示反应的机理和关键步骤。
进一步的研究将为电催化氧还原反应的应用提供更多的可能性。
通过以上对电催化氧还原反应机理的研究的探讨，我们可以看到在电催化氧还原反应的过程中，原理、催化剂以及机理是密不可分的。
深入研究和理解这些方面，将有助于我们提高电催化氧还原反应的效率和选择性，推动能源转换和环境保护领域的发展。
电催化氧化处理
电催化氧化处理电催化氧化处理是一种通过电化学反应来实现物质氧化的方法。
它利用电流通过电解液中的电解质和电极，使得被氧化物质在电极上发生氧化反应，达到去除有害物质或转化有用物质的目的。
电催化氧化处理技术在环境污染治理、废水处理、有机废物处理等方面具有重要的应用价值。
在环境污染治理方面，电催化氧化处理可以用于处理大气污染物、水体污染物和土壤污染物等。
例如，电催化氧化可以将二氧化硫(SO2)转化为硫酸(H2SO4)，从而达到减少大气酸雨的目的。
在废水处理方面，电催化氧化可以将有机物质和重金属离子转化为无害的物质，以达到净化水体的效果。
在有机废物处理方面，电催化氧化可以将有机废物转化为二氧化碳和水，实现资源的有效利用。
电催化氧化处理的原理是利用电解过程中产生的电流，引发电解液中的氧化还原反应。
在电极上，正极吸引阴离子，负极吸引阳离子，使得溶液中的有害物质在电极上发生氧化反应。
这些氧化反应可以是直接氧化，也可以是间接氧化。
直接氧化是指有害物质直接在电极上发生氧化反应，而间接氧化是指通过在电极上产生的氧化剂来间接氧化有害物质。
电催化氧化处理的优点是可以在较低的温度和压力下进行反应，具有较高的选择性和反应速率，对环境友好。
与传统的氧化处理方法相比，电催化氧化处理不需要添加大量的氧化剂，不会产生大量的废弃物，节约能源，减少了二次污染的风险。
然而，电催化氧化处理也存在一些挑战和限制。
首先，电催化氧化过程中电解液中的溶解物质会对电极产生腐蚀作用，降低电极的使用寿命。
其次，电催化氧化处理的效果受到反应条件的限制，如温度、压力、电流密度等。
此外，电催化氧化处理的设备和操作成本较高，需要专业的设备和操作人员。
为了提高电催化氧化处理的效果，可以采取一些措施。
首先，可以选择合适的电极材料和电解液，提高电极的稳定性和活性。
其次，可以优化反应条件，如调整温度、压力和电流密度等，提高反应速率和选择性。
此外，还可以结合其他技术，如光催化、声催化等，提高处理效果。
废水处理行业电催化氧化技术的运行原理
废水处理行业电催化氧化技术的运行原理在废水处理行业电催化氧化技术的处理效果是比较稳定可靠的，也是使用比较广泛的一种，在废水处理方面能够应用于各种不同的高浓度有机废水处理，效果都是比较明显达标排放。
1、电催化氧化的原理介绍：电催化氧化(Electrochemical Catalytic Oxidation， ECO)是利用具有催化性能的金属氧化物电，产生具有强氧化能力的羟基自由基或其它自由基和基团攻击溶液中的有机污染物，使其完全分解为无害的 H2O 和 CO2 的绿色化学技术。
这种降解途径使有机物分解更加彻底，不易产生毒害中间产物。
在反应中，电子是主要反应试剂，不必添加额外化学试剂，是指在外加电场或电压的作用下，通过化学及物理作用达到净化水中污染物的处理技术。
电催化氧化技术产生大量活性强的羟基自由基(·OH)，与有机化合物发生加合、代替、电子转移、断键等电子转移反应，使废水中难降解的大分子有机物氧化降解成为小分子物质，并直接矿化为 CO2 和 H2O。
根据有机物氧化过程中电子转移的方式，电催化氧化可分为直接氧化和间接氧化。
1.1、直接氧化是指污染物直接在阳失去电子而发生氧化，有机物的直接电催化氧化分两类进行。
(1)电化学转换，即把有毒物质转变为无毒物质或把难生化的有机物转化为易生化的物质(如芳香物开环氧化为脂肪酸)，改善 B/C 比，提高废水的可生化性，以便进一步实施生化处理。
(2)电化学燃烧，即直接将有机物深度氧化为 CO2。
这两类电化学反在试验中或工程应用中都是同时进行的。
但电材料不同，或准确来说表面涂层材料不同可能决定着两类反应的主次之分。
1.2、间接氧化间接电化学反应可利用电化学反应产生的氧化还原剂使污染物转化为无害物，这时产生的氧化还原剂是污染物与电交换电子的中介体。
这种中介体可以是催化剂，也可以是电化学产生的短寿命中间体。
此外，也可以利用O2 在阴还原为H2O2，而后生成(·OH)，进而氧化有机物，该技术可用于难生化降解的处理苯酚、苯胺、醛类及*化物等污染物。
电催化氧化技术降解水中有机物的研
电催化氧化技术的机理
半导体材料处于一定强度的电场时, 其价带电子也会越过禁带进入导带,同 时在价带上形成电激空穴。空穴具有很 强的俘获电子的能力,可以夺取半导体 颗粒表面的有机物或溶剂中的电子发生 氧化还原反应。
电催化氧化技术的机理
施加电压能使催化材料内部形成电 压梯度,促使空穴与电子向相反方向移 动,抑制其复合,从而提高了催化效率。
处理水中酚类有机物
大多采用孔炭材料作阳极，有机废水通 过炭孔，在电解作用下可去除其中的酚及其 他有机物。例如，COD值为29000mg/L的含酚 废水在温度为25～40℃，电压为3.7～4.0V， 电流为8A时，COD 值可降低到 671mg/L。
电催化氧化技术的应用
处理水中胺类有机物
在含胺废水中，一般采用PbO2作阳 极，苯胺很容易去除，但想要进一步 氧化成 CO2，则比较困难。
电极材料研究不断取得进展 “氧化物修饰电极”的出现等
推动电催化氧化 技术的发展
电化学理论研究不断深入
许多有机化合物的 氧化还原反应、加成反应或分解反应， 都可在电极上进行
提 供 理论依据
电催化氧化方法 降解有机污染物
电极材料研究不断取得进展
出现了钌钛涂层的金属阳极 D.S.A（也叫“形稳阳极”）并实 现了工业化，该电极大大提高了电 流效率和电极寿命。
处理水中醇类有机物
在含醇废水中，以不溶性PbO2作阳极，投 入1mol/L的NaOH作电解质，当电流密度为 0.19～0.22A/cm2时电解3h,可使废水中的 甲醇全部分解。 含乙二醇的废水，采用PbO2作阳极进行电 解氧化，COD 可从 28000mg/L 降到 500mg/L。
电催化氧化技术的应用
影响电催化氧化效率的因素
电催化氧化技术降解有机物的机理
电催化氧化技术降解有机物的机理随着工业化和城市化程度的增加，有机物排放成为了一个全球性的环境问题。
有机物污染不仅会对水体和土壤造成污染，还会对生态系统和人类健康带来潜在风险。
因此，寻找一种高效、环保的方法来降解有机物成为了迫切的需求。
电催化氧化技术作为一种新兴的降解方法，具有潜力广阔。
本文将探讨电催化氧化技术降解有机物的机理。
一、电催化氧化技术简介电催化氧化技术，是利用电化学方法促进氧化反应进行有机物降解的一种技术。
它主要包含两个关键部分：电极和电源。
电极是电催化氧化技术的核心，其中最常用的是氧化铁和钛金属等，它们具有良好的电催化活性和稳定性。
电源提供了电流和电压，以促使电极上的氧化还原反应发生。
通过调节电源参数和氧化剂浓度，可以实现有机物的高效降解。
二、电催化氧化技术的机理电催化氧化技术的机理主要涉及电极表面的氧化还原反应和有机物的降解过程。
1. 氧化还原反应电催化氧化技术的核心是电极表面的氧化还原反应。
当电流通过电极时，电极表面会发生氧化和还原反应，其中氧化反应是从电极表面释放出电子，而还原反应是将电子传递给电极表面。
这些氧化还原反应可以在电极表面形成氧化还原对，例如氧化铁可以形成Fe2+/Fe3+的氧化还原对。
2. 有机物的降解在电催化氧化技术中，有机物可以通过两个途径被降解：直接氧化和间接氧化。
直接氧化是指有机物直接与电极上的氧化剂发生反应，直接被降解为无害物质。
间接氧化是指电极表面的氧化剂先与电极上的电子发生反应，生成一种活性的氧化物质，该氧化物质再与溶液中的有机物反应，最终将有机物降解为无害物质。
三、电催化氧化技术的优势电催化氧化技术相比传统的降解方法具有如下优势：1. 高效性电催化氧化技术利用电极表面的氧化还原反应实现有机物的降解，反应速度快，降解效率高。
同时，由于电催化氧化技术不依赖于微生物等外界因素，因此可以避免传统降解方法中的生物降解过程较慢的问题。
2. 环保性电催化氧化技术不需要添加化学药剂，仅依靠电极和电源即可实现有机物的降解。
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4、电极反应的活化热和活化体积
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五、典型电催化反应的机理
1、氢析反应与分子氢的氧化 氢析出反应是非常重要的电极反应，不仅因为水电解制 备氢是获取这种洁净能源的有效途径，而且它是水溶液 中其他阴极过程的伴随反应。其反应机理可表示为：
2 H 3 O 2 e H 2 2 H 2 O ( 酸 性 溶 液 中 ) 2 H 2 O 2 e H 2 2 O H ( 碱 性 溶 液 中 )
H C O O H 2 M M H M C O O H
M H M H e
M C O O H M C O 2 H e
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或者
HCOOH+M M-CO+H2O
H 2 O M M O H H e
M C O M O H C O 2 H
式中，M-R(R分别是—H、—COOH、—CO或— OH)表示电极表面上的化学吸附物种。此类反应 的例子尚有甲醇等有机小分子的电催化、H2的电 氧化以及O2和Cl2的电还原。
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当溶液中有有机物存在时，物理吸附的氧(-OH)在 “电化学燃烧”过程中起主要作用，而化学吸附的氧 (MOx+I)则主要参与“电化学转化”，即对有机物进行 有选择的氧化(对芳香类有机物起作用而对脂肪类有 机物不起作用)。
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电催化反应的共同特点是反应过程包含两个以上的连 续步骤，且在电极表面上生成化学吸附中间物。许多 由离子生成分子或使分子降解的重要电极反应均属于 此类反应。所以对电催化氧化(ECO)的机理主要是通 过 H有2电机O2极物、.和羟催基化自材由料基的(·O作H用)等产活生性超集氧团自来由氧基化(·O水2体)、中的 因此针对电催化反应的特点也可将此种反应分为两类： 1、离子或分子通过电子传递步骤在电极表面上产生 化学吸附中间物，随后吸附中间物经过异相化学步骤
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或电化学脱附步骤生成稳定的分子。如酸性溶液中的 氢析出反应：
H 3 O M e M H H 2 O ( 质 子 放 电 ) M H H 3 O e H 2 M H 2 O ( 电 化 学 吸 附 )
2 M H H 2 2 M ( 表 面 复 合 )
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2、反应物首先在电极上进行解离式(dissociative)或 缔 合式(associative)化学吸附，随后吸附中间物或 吸附 反应物进行电子传递或表面化学反应。如甲醛的电氧 化：
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三、电催化氧化技术降解有机物的机理
关于电催化氧化处理有机物的机理有很多种，其中被 广大研究者所接受的是由Comninellis Ch.提出的金属 氧化物的吸附羟基自由基和金属过氧化物理论按照该 理论，有机物阳极氧化的一般过程如图1.1所示：
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酸性(或碱性)溶液中的H2O(或OH-)在金属氧化物阳极 表面吸附，在表面电场的作用下，吸附的H2O(或OH-) 失去电子，生成MOX(.OH) (MOx表示氧化物阳极):
高级氧化技术 ——电催化
（electricity catalysis)
一、概述 二、电化学基本原理 三、电催化氧化技术降解有机物的机理 四、动力学参数-反应机理的判据 五、典型电催化反应的机理 六、电催化电极 七、影响电催化氧化技术效率的因素 八、几种典型高级氧化技术及其比较 九、电催化与常规化学催化的区别 十、在环境污染控制中的应用 十一、应用前景及存在问题
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二、电化学基本原理
电化学技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接 电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性活性物种 使污染物发生氧化还原转变，后者被称为间接电化学机污染物和部分 无机污染物转化为无害物质，阴极还原则可从水中去 除重金属离子。这两个过程同时伴生放出H2和O2的副 反应，使电流效率降低，但通过电极材料的选择和电 位控制可加以防止，且很少产生羟基自由基,处理效率 不理想。
接下来，吸附的·OH可能与阳极材料中的氧原子相互 作用，自由基中的氧原子通过某种途径进入金属氧化 物MOx的晶格之中，从而形成所谓的金属过氧化物 MOx+1:
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这样在金属的表面存在两种状态的“活性氧”:一种 是物理吸附的活性氧，即吸附的羟基自由基，另一种 是化学吸附的活性氧，即进入氧化晶格中的氧原子。 当溶液中没有有机物存在时，两种活性氧都发生反应， 生成氧气。
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间接氧化是通过阳极在高电势下产生的羟基等自由基 与污染物分子作用,这种自由基是具有高度活性的强氧 化剂C（也可以是催化剂）,通过对有机物产生脱氢、 亲电子和电子转移作用,形成活化的有机自由基,产生 连锁自由基反应,使有机物迅速完全降解,故也称为电 化学燃烧。间接氧化在一定程度上既发挥了阳极直接 氧化的作用,又利用了产生的氧化剂,使处理效率显著 提高。
一、概述
电催化高级氧化技术是最近发展起来的处理有毒难生 化降解污染物的新型有效技术,它通过阳极反应直接降 解有机物，或通过阳极反应产生羟基自由基(·OH)、 臭氧一类的氧化剂降解有机物，这种降解途径使有机 物分解更加彻底，不易产生毒害中间产物，更符合环 境保护的要求，这种方法通常被称为有机物的电催化 氧化过程。 所谓的电催化，是指在电场作用下，存在 于电极表面或溶液相中的修饰物能促进或抑制在电极 上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修 饰物本身并不发生变化的一类化学作用。
目前普遍认为，该反应由如下基元步骤组成：
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（1）质子放电步骤（Volmer反应）
2 H 3 O M e M H H 2 O H 2 O M e M H O H
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四、动力学参数-反应机理的判据
1、 交换电流密度与传递系数
交换电流密度是平衡电位条件下的反应速度,在电催化 研究中常用它作为电催化活性的比较标准.其是反应物 浓度的函数.
传递系数是反应机理的重要判据.它是衡量电极反应中 电子传递的一个重要参数.其与温度有关。
2、电化学反应级数
3、化学计量数
其是指总反应完成一次，各基元步骤必须进行的次 数。