电催化
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电催化及光催化介绍
• 水存在对CO吸附状态几乎无本质上影响。
电催化及光催化介绍
第26页
• 水分子在电极上吸附是个普遍感兴趣问题， （大多数电极反应是在水溶液中进行） 。
• 电极／水溶液界面双电层电性质 ，尤其是 界面微分容量和电极表面水分子吸附状态 有亲密关系 。大家已提出了水分子吸附状 态各种模型 。关键是表面吸附水分子是呈 单分子 、双分子 ，还是和氢结合程度不一 样簇。
波而在大约1.4V处表面变成了氧化物 。反 向扫描时 ，在0.7V还原电流下出现Pt原子
被重新还原峰 。这么进行一次氧化-还原 ， 氧吸收波形发生了很大改变 。 图示其它峰
形都有类似结果。
•
这是因表面原子排布不一样而显示出
固有特征。
•
图4-6为经5次电位(1.5V-0.05V)循环
Pt(111)面STM像。
之间过渡状态 ， 即所谓“平板电位
（flatband potential） ”
•
电子传递 ， 既可在速度控制步骤能垒
主要位于Helmholz双电荷层中时发生，也
能够在空间电荷层能垒中时发生 。转
• 例：放氢反应
• 未经修飾半导体表面需有较高超电压 ，
对GaAs，GaP，主要取决于Schottky能垒
电催化及光催化介绍
第18页
• 图4-5 白金以及铱单晶基础低指数晶面(1l0)循环伏安图 • (O.5mol／L H2SO4 ， 25℃ , 50mV／s)
电催化及光催化介绍
第19页
•
可见 ，各种晶面脱氢波 、吸氧波都显
著不一样 。 比如：Pt(111)面在硫酸水溶液
中 ，在0～0.5V范围内 ， 出现了异常氢吸收
电催化及光催化介绍
电催化
1. 良好的导电性，至少与导电材料（例如石墨、银粉） 结合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子 通道，即电极材料的电阻不能太大；
2. 高的催化活性，即能够实现所需要的催化反应，抑制 不需要或有害的副反应；
3. 良好的稳定性，即能够耐受杂质及中间产物的作用而 不致较快地被污染或中毒而失活，并且在实现催化反应 的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性，此外还包括良好的机械物理性质，表面层不 脱落、不溶解。
影响处理效果的的主要因素可分四个方面，即电极
材料、电解质溶液、废水的理化性质和工艺因素(电
化学反应器的结构电流密度、通电量等) 。其中，电极材
料是近年研究的重点。
1. 电极材料
在电解法处理有机废水的过程中，电极不仅起着传 送电流的作用，而且对有机物的氧化降解起催化作用，
电极材料选择的好坏，直接影响有机物降解效率的高低。
一般所说的非金属电极是指硼化物、碳化物、氮
化物、硅化物、氯化物等。非金属材料作为电极材料， 最大的优势在于这类材料的特殊物理性质，如高熔点、
高硬度、高耐磨性、良好的腐蚀性以及类似金属的性质
等。
催化电极的特性
电极在电化学处理技术中处于“心脏”的地位，电催 化特性是电化学处理技术用电极的核心内容。我们既希望 电极对所要处理的有机物表现出高的反应速率，又要有好 的选择性。 催化电极的功能：既能导电，又能对反应物进行活化， 提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。 因此，良好的电催化电极应该具备下列几项性能：
一定强度的一类物质。
4. 电极表面结构
电催化电极的表面微观结构和状态也是影响电催化
性能的重要因素之一。而电极的制备方法直接影响到电
极的表面结构。无论是提高催化活性还是提高孔积率， 改善传质、改进电极表面微观结构都是一个重要手段， 因而电极的制备工艺绝对是非常关键的一个环节。
电催化技术定义、原理和展望ppt
如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。
间接还原：利用电化学过程中生成的一些还原性物质 如Ti3+，V2+和Cr2+将污染物还原去除，如二氧化硫的间接 电化学还原可转化成单质硫：
SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O
3.2电化学氧化
直接氧化：污染物直接在阳极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），以便进一步实施生物处理； （2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理 和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
（1）表面材料
电极对催化剂的要求满足：反应表面积要大；有较好 的导电能力；吸附选择性强；在使用环境下的长期稳定性； 机械性能好；资源丰富且成本低；环境友好。
目前已知电催化电极表面材料主要涉及过渡金属及半 导体化合物。
a. 过渡金属：由于过渡金属的原子结构中有空余的d轨 道和未成对的d电子，通过含过渡金属的催化剂与反应物分 子的电子接触，这些催化剂空余d轨道上将形成各种特征的 吸附键达到分子活化的目的，从而降低了复杂反应的活化能， 达到电催化目的，因此，过渡金属及其一些化合物本身具有 较好的催化活性 。
3.5 光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳 极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的 同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高 了对难降解有机物的催化降解效率。
间接还原：利用电化学过程中生成的一些还原性物质 如Ti3+，V2+和Cr2+将污染物还原去除，如二氧化硫的间接 电化学还原可转化成单质硫：
SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O
3.2电化学氧化
直接氧化：污染物直接在阳极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），以便进一步实施生物处理； （2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理 和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
（1）表面材料
电极对催化剂的要求满足：反应表面积要大；有较好 的导电能力；吸附选择性强；在使用环境下的长期稳定性； 机械性能好；资源丰富且成本低；环境友好。
目前已知电催化电极表面材料主要涉及过渡金属及半 导体化合物。
a. 过渡金属：由于过渡金属的原子结构中有空余的d轨 道和未成对的d电子，通过含过渡金属的催化剂与反应物分 子的电子接触，这些催化剂空余d轨道上将形成各种特征的 吸附键达到分子活化的目的，从而降低了复杂反应的活化能， 达到电催化目的，因此，过渡金属及其一些化合物本身具有 较好的催化活性 。
3.5 光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳 极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的 同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高 了对难降解有机物的催化降解效率。
电催化技术 (Technology of Electrocatalysis)
Na2SO4
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理反应器形式及应用
◎ 电催化技术的优点、局限性及展望
电催化废水处理反应器形式及应用
1. 电催化废水处理反应器形式 电化学反应器种类繁多、结构复杂、丌同的应用领域，所
应用的反应器结构和形式均丌完全一样，其中，反应器结
光电化学氧化
在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使 阳极収生电催化作用对阳极槽中的有机物迚行催化降 解的同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大 大提高了对难降解有机物的催化降解效率。
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理反应器形式及应用
装置。
阳极：不电池正极相联 阴极：不电池负极相联
根据离子迁秱的方向，又分为：
阴极：是阳离子秱向的一极 阳极：是阴离子秱向的一极
电解NaOH的电解池
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极不电解质
◎ 电催化废水处理望
◎ 电催化技术的优点、局限性及展望
电催化电极电解质
电极——指不电解质接触的电子导体或半导体，它 既是电子贮存器，能够实现电能的输入或输出，又 是电化学反应収生的场所。 催化电极——首先应该是一个电子导体，其次要兼 具催化功能，即：既能导电，又能对反应物迚行活 化，提高电子的转秱速率，对电化学反应迚行某种 促迚和选择。
电催化技术
（Technology of Electrocatalysis)
主要内容
电催化技术在有机合成中的应用
电催化技术在有机合成中的应用随着科技的不断进步和发展，电催化技术作为一种环保、高效的有机合成方法逐渐引起了人们的关注。
本文将介绍电催化技术在有机合成中的应用，并探讨其优势和前景。
一、电催化技术的概述电催化技术是指利用电流来促使化学反应进行的一种方法。
它通过施加外部电势，使得在电极表面发生的电化学反应产生的电荷参与有机物的转化。
与传统的化学反应相比，电催化技术具有反应条件温和、反应选择性高、反应速率快等优点。
因此，电催化技术在有机合成中具有广泛的应用前景。
二、电催化技术在有机合成中的具体应用1. 电化学还原合成有机化合物电化学还原是电催化技术中的一种重要应用。
通过施加合适的电位，可以在电极表面还原有机化合物，得到目标产物。
电化学还原合成具有高效、高产和高选择性的特点，适用于合成复杂有机分子和天然产物。
2. 电化学氧化制备有机合成中间体电化学氧化可以将底物氧化为中间体，为复杂有机合成的下一步反应提供原料。
通过控制电位和反应条件，可以高效地制备有机合成中间体，从而提高合成的效率和选择性。
3. 电解水制氧合成有机氧化产品电解水制氧是一种重要的可持续化学反应，可以在无机碱性条件下将电流应用于水分子，实现水的氧化反应。
在这个过程中，产生的氧气可以被用作有机氧化反应的氧化剂，从而合成有机氧化产品。
4. 电催化还原碳-碳双键合成羟基化合物电催化反应可以将碳-碳双键加氢，得到羟基化合物。
电催化加氢反应具有高度的选择性和高产率，可以有效地合成具有生物活性的化合物。
三、电催化技术的优势和前景1. 环保节能电催化技术相比传统的有机合成方法，能够避免使用大量的有毒有害溶剂和试剂，从而减少对环境的污染。
同时，电催化技术能够通过优化反应条件，实现高效能耗的控制，节约能源。
2. 可持续发展电催化技术利用可再生能源和清洁电能进行反应，无需消耗大量的化石能源，具有可持续性和环境友好性。
这一特点符合现代社会对可持续发展和绿色化学的追求。
电催化反应的一般流程
电催化反应的一般流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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02章 电催化过程
通过施加一定的电势（或电流）于催化电极上, 然后观测电流（或电势）随时间的变化, 直到电流（或电势）不随时间而变化(或随时间的变化很小)时, 记录下电势—电流的关系曲线。
甲醇的H2SO4溶液在三种不同催化剂电极上的线性扫描曲线（25oC)
实例
电催化活性和稳定性最实用的方法
㈤光谱电化学法: －－运用光谱技术（例如现场的红外光谱）检测催化反应发生时产物或活性中间体初始形成的电势、或毒化物种消失的电势等 －－判别在所研究的催化剂上电极反应发生的电势。
(二)非氧化—还原电催化: 催化剂本身在催化过程中并不发生氧化—还原反应.
M
S
A
B
A → B + ne
M
蛋白质和酶的催化反应, 了解,10min
二、影响电催化性能的因素
电催化剂的性能具备的特点: 催化剂有一定的电子导电性。 高的催化活性。 催化剂的电化学稳定性
影响电催化活性的因素
㈢计时电流法: 评价催化剂活性和稳定性的一种重要方法
H2SO4溶液中甲醇在3种催化剂上的计时电流曲线(25℃,电势: 0. 7V)
实例
I0
催化剂
（%/s)
c
0.00217
b
0.00190
a
0.00145
表明a催化剂对甲醇氧化有最好的电催化活性、稳定性和抗毒化能力.
（四） 稳态极化法
3.电催化与常规化学催化反应的区别 反应时，在反应界面上电子的传递过程存在本质差别。 常规化学催化： 反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的，既不能从外电路中输入电子，也不从反应体系中导出电子。 电子的转移无法从外部加以控制。 电催化： 利用外部回路控制过电势，使反应速度容易控制。 改变电极电势，可以控制氧化或还原反应的方向。 输入的电流可以用来作为反应速度的依据。 反应前后的自由能变化幅度大。
甲醇的H2SO4溶液在三种不同催化剂电极上的线性扫描曲线（25oC)
实例
电催化活性和稳定性最实用的方法
㈤光谱电化学法: －－运用光谱技术（例如现场的红外光谱）检测催化反应发生时产物或活性中间体初始形成的电势、或毒化物种消失的电势等 －－判别在所研究的催化剂上电极反应发生的电势。
(二)非氧化—还原电催化: 催化剂本身在催化过程中并不发生氧化—还原反应.
M
S
A
B
A → B + ne
M
蛋白质和酶的催化反应, 了解,10min
二、影响电催化性能的因素
电催化剂的性能具备的特点: 催化剂有一定的电子导电性。 高的催化活性。 催化剂的电化学稳定性
影响电催化活性的因素
㈢计时电流法: 评价催化剂活性和稳定性的一种重要方法
H2SO4溶液中甲醇在3种催化剂上的计时电流曲线(25℃,电势: 0. 7V)
实例
I0
催化剂
（%/s)
c
0.00217
b
0.00190
a
0.00145
表明a催化剂对甲醇氧化有最好的电催化活性、稳定性和抗毒化能力.
（四） 稳态极化法
3.电催化与常规化学催化反应的区别 反应时，在反应界面上电子的传递过程存在本质差别。 常规化学催化： 反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的，既不能从外电路中输入电子，也不从反应体系中导出电子。 电子的转移无法从外部加以控制。 电催化： 利用外部回路控制过电势，使反应速度容易控制。 改变电极电势，可以控制氧化或还原反应的方向。 输入的电流可以用来作为反应速度的依据。 反应前后的自由能变化幅度大。
电催化技术 (Technology of Electrocatalysis).
电催化的定义
定义：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。
电催化的特点
——与常规化学催化相比
1. 在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电子传 递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既不能从 外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流； 在电极催化反应中有纯电子的转移。电极作为一种非均相催 化剂既是反应场所，又是电子的供—受场所，即电催化反应 同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。
光电化学氧化
Hale Waihona Puke 在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使 阳极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降 解的同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大 大提高了对难降解有机物的催化降解效率。
主要内容
◎ 电化学 ◎ 电催化的定义及特点 ◎ 电催化去除污染物的基本原理
◎ 电催化电极与电解质
◎ 电催化废水处理反应器形式及应用
电催化的特点
——与常规化学催化相比
2. 在常规化学催化反应中，电子的转移过程无法从外部加以 控制；电催化反应过程中可以利用外部回路控制电流，使反 应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈的电 解和氧化-还原反应的条件。
——电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快慢 的依据
电催化的特点
◎ 电催化技术的优点、局限性及展望
电催化电极电解质
电极——指与电解质接触的电子导体或半导体，它 既是电子贮存器，能够实现电能的输入或输出，又 是电化学反应发生的场所。 催化电极——首先应该是一个电子导体，其次要兼 具催化功能，即：既能导电，又能对反应物进行活 化，提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种 促进和选择。
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一定强度的一类物质。
4. 电极表面结构
电催化电极的表面微观结构和状态也是影响电催化
性能的重要因素之一。而电极的制备方法直接影响到电
极的表面结构。无论是提高催化活性还是提高孔积率， 改善传质、改进电极表面微观结构都是一个重要手段， 因而电极的制备工艺绝对是非常关键的一个环节。
催化电极的材料
1. 金属电极
的功能。
高的机械强度、良好的导电性和与电催化组成具有 一定的亲和材料主要涉及过渡金属及 半导体化合物。它们的共同作用就是降低复杂反应的活
化能，达到电催化的目的。而半导体的特殊能带结构使
产物不易被吸附在电极表面，所以氧化速率还要高于一 般电极。
电极对催化材料的要求有：反应表面积要大；有较
好的导电能力；吸附选择性强；在使用环境下的长期稳 定性；尽量避免气泡的产生；机械性能好；资源丰富且
成本低；环境友好。
3. 载体
基础电极与电催化涂层有时亲和力不够，致使电催
化涂层易脱落，严重影响电极寿命。所谓电催化电极的 载体就是一类起到将催化物质固定在电极表面，且维持
影响处理效果的的主要因素可分四个方面，即电极
材料、电解质溶液、废水的理化性质和工艺因素(电
化学反应器的结构电流密度、通电量等) 。其中，电极材
料是近年研究的重点。
1. 电极材料
在电解法处理有机废水的过程中，电极不仅起着传 送电流的作用，而且对有机物的氧化降解起催化作用，
电极材料选择的好坏，直接影响有机物降解效率的高低。
金属电极是指以金属作为电极反应界面的裸露。电 极，除碱金属和碱土金属外，大多数金属作为电化学电 极均有很多研究报道，特别是氢电极反应。
2. 碳素电极 3. 金属氧化物电极
导电金属氧化物电极具有重要的电催化特性，这类 电极大多为半导体材料，实际上对这类材料性质的研究 是以半导体材料为基础建立的。
4. 非金属化合物电极
1. 良好的导电性，至少与导电材料（例如石墨、银粉） 结合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子 通道，即电极材料的电阻不能太大；
2. 高的催化活性，即能够实现所需要的催化反应，抑制 不需要或有害的副反应；
3. 良好的稳定性，即能够耐受杂质及中间产物的作用而 不致较快地被污染或中毒而失活，并且在实现催化反应 的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性，此外还包括良好的机械物理性质，表面层不 脱落、不溶解。
所谓电催化，是使电极、电解质界面上的电荷转移
而加速反应的一种催化作用。
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，它通过阳极直接降解 有机物或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。
化 学 燃 烧
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或催化剂，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。
所谓电极，是指与电解质溶液或电解质接触的电 子导体或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能
电解过程主要是通过阳极反应来降解有机物的，而且电 位越高，有机物的脱除效果越明显。但电位过高会受到
阳极材质腐蚀和多种副反应的制约，主要竞争副反应是
阳极氧气的析出，因此催化电极应具有较高的析氧超电 势。
2. 电解质溶液
电解质溶液对有机物的电化学催化氧化的影响主要 体现在两个方面:（1）电解质溶液的浓度（2）电解质的 种类。
的输入或输出，又是电化学反应发生的场所。电化学
中规定，使正电荷由电极进入溶液的电极称为阳极， 使正电荷自溶液进入电极的电极成为阴极。在阳极发 生氧化反应，而在阴极发生还原反应。
催化电极组成和结构
1. 基础电极
所谓基础电极，也叫电极基质，是指具有一定强度、
能够承载催化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳 电极。基础电极无电催化活性，只承担着作为电子载体
3. 废水的理化性质
同一电极对不同有机物表现出不同的电催化氧化效 率。废水体系的pH值等因素也常常会影响电极的电氧化 效率。
4. 工艺因素
尽量设计需要设计时空效率高、能耗低的电化学反 应器。
一般所说的非金属电极是指硼化物、碳化物、氮
化物、硅化物、氯化物等。非金属材料作为电极材料， 最大的优势在于这类材料的特殊物理性质，如高熔点、
高硬度、高耐磨性、良好的腐蚀性以及类似金属的性质
等。
催化电极的特性
电极在电化学处理技术中处于“心脏”的地位，电催 化特性是电化学处理技术用电极的核心内容。我们既希望 电极对所要处理的有机物表现出高的反应速率，又要有好 的选择性。 催化电极的功能：既能导电，又能对反应物进行活化， 提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。 因此，良好的电催化电极应该具备下列几项性能：
直接电化学转化通过
化 学 转 化
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，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，且很少产生羟 基自由基，处理效率不理 想。但通过电极材料的选 择和电位控制可加以防止。
间接氧化
是通过阳极在 高电势下产生