0.3　电化学技术应用的广泛性

电化学是一门交叉学科，它研究带电界面的性质，凡是和带电界面有关的学科，都和电化学有关。电化学是多科际、具有重要应用背景和前景的学科。涉及电化学的领域十分广泛（图0-3），其理论方法与技术应用越来越多地与其它自然科学或技术学科相互交叉、渗透。

0.3.1　化学电源

在日常生活中，大至汽车的发动、轮船的航行与飞船的飞行，小到钟表的走动，都需要化学电源（图0-4）。电池发展的主要动力来自便携设备（例如移动电话、笔记本电脑、摄录像机和MP3播放器等）和电动车辆（图0-5）的快速发展以及人们对降低大气污染的要求。包含电动助力自行车和电动汽车在内的电动车辆具有污染小、能源利用率高、可实现能源原料的多样化、降低人类对石化燃料的依赖、噪声小等特点并早已广为人知。

我国已成为世界上第一电池生产大国，成绩喜人，然而也存在着电池行业整体缺乏长远规划，技术创新少，电池企业水平参差不齐，部分落后品种电池产量仍较大，机械自动化水平差，工人生产条件差，污染严重，片面追求低成本，资源综合利用率低，废旧电池的回收利用率低等问题。

在许多微系统中，电源的重量占了整个体系重量的1/5～1/4。目前所制作的微型飞机总质量为一百克左右，而其电源质量就高达二十余克。又如现在的一些医疗手术中，为了探测心脏的血液供给以及心肌状况，需要将一根光纤插入血管直通心脏，并用大型仪器实时检测。将来则很可能将只有几十个微米大小的医疗机器人直接放入人体血管内，它不仅可以实时检测而且还同时进行治疗，如清除淤塞在血管中的血块等。显然此时再用人体外的电源通过电线驱动微机器人是不现实的，因为电线的直径可能大于微机器人的尺度，因而与微机器人为一体的电源研制将是该项科研尝试成功与否的关键因素之一。若能制作以血液中的糖分等物质作为燃料的燃料电池，则有望克服上述困难。总之开发体积更小、比能量更高的各类微型电池是赋予电化学的又一个重要任务。

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换为电能的装置。它不是把发电的活性物质储藏在电池内部，而是把燃料（如H2、CO、甲醇等）不断注入负极，把O2输入正极，直接发电，生成CO2、H2O等产物。燃料电池的发电效率高，电化学能量转换的综合效率可达80％。而一般燃料利用，例如煤（或油）燃烧过程通常要靠火力发电厂的汽轮机和发电机来完成，需要先经过燃烧，把化学能转变为热能，再经热机转变为机械能，再转变为电能。由于多步骤转变过程中的能量损失以及受热功转换过程中卡诺（Carnot）热机效率（η）的限制，整个过程的能量转化率小于40％（图0-6）。

一般燃料 　，效率小于40％

燃料电池　化学能→电能，效率大于80％。

燃料电池具有能量转换效率高、污染小、噪声低、省水、省地等优点，是一种极有前途的高效、节能、环境友好的发电方式（图0-7）。除了发电以外，燃料电池还被广泛用于宇航、军舰动力装置以及汽车、笔记本电脑、移动电话等。

电化学超级电容器（图0-8）是介于传统静电电容器与电池之间的全新的能量储存器件，由于其容量密度极大，从而适合工作于要求瞬间释放超大电流的场合，如可用作电池补充的功率源。特别是双电层型电容器，除了能提供高的充放电功率密度外，其循环寿命为105～106次，为传统电池的102～103倍。

0.3.2　金属的腐蚀与防护

全世界每年由于金属腐蚀所遭受的损失严重，其中以电化学腐蚀所占的比重最大，因此研究产生腐蚀的原因及金属保护措施就成为电化学研究的重要内容之一。

将金属置于大气中，在金属表面就会形成一层肉眼看不见的很薄的液膜，如图0-9所示。液膜中可溶解酸性气体如CO2、SO2、NO2等（与大气污染有关），成为电解质溶液。大多数金属（除贵金属外）在这样的条件下，就自发地以金属离子的形式溶入液膜，金属中剩余的电子则将H+还原为H2，这样在金属表面就形成了腐蚀微电池，使腐蚀过程继续发生。

0.3.3　电解

利用电解可冶炼、精炼金属，制备无机物、有机物等化工产品。氯碱工业是一个典型的例子，氯碱工业是仅次于合成氨和硫酸的无机物基础工业，其产品NaOH、Cl2和H2都是重要的化工原料，广泛用于各工业部门。

①氯气——合成盐酸、漂白粉、聚氯乙烯等。

②氢气——还原剂，制备高纯度硅和锗。

③烧碱——用于化工、造纸、纺织、肥皂、冶金、石油工业等。

电解法已被广泛地应用于提炼和精炼有色金属和稀有金属，如日常生活中使用最广泛的金属Al、Na、Li。由于Na、Li的活泼性高，电解质不能为水溶液，故Na、Li的生产一般采用电解熔融的氯化物NaCl、LiCl，在500～700℃进行。铜、锌等金属的精炼也都用的是电解法。许多化工产品也是通过电解方法制得的，如KMnO4、H2O2等。据统计目前全世界电解工业耗电量为总发电量的10％。

因电化学反应只限于在与溶液接触的电极表面，使得电化学反应器的生产强度低于很多化学反应器。因此降低能耗、提高时空收率是电化学生产的关键问题。

0.3.4　金属的表面精饰与电化学加工

电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工工艺。其中电解加工适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心工件，如波导管；注塑用的模具、薄壁工件；复制精密的表面轮廓；表面粗糙度样板、反光镜、表盘等工件。涂覆加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的工件进行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂覆补救。对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层。电化学加工过程都是以离子的形式进行的，而金属离子的尺寸非常微小，因此从原理上讲，电化学加工可以实现的加工精度和微细程度在微米级甚至更小的尺度。

电镀可用于装饰、防腐、增加抗磨能力及便于焊接等，应用范围极广。电镀是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。为了节约金属，减轻产品重量和降低成本，目前越来越多地采用非金属，尤其是塑料来代替金属。塑料在电镀前一般需要经过除油、粗化、敏化、活化、化学沉积金属膜（化学镀镍、化学镀铜等）后，方能进行电镀。电镀后的塑料制品表面是金属，能够导电、导磁、焊接，而且力学性能、热稳定性和防老化能力等都有所提高。

电化学阳极氧化　有些金属在空气中就能生成氧化物保护膜，而使内部金属在一般情况下免遭腐蚀。例如金属铝与空气接触后即形成一层均匀而致密的氧化膜（Al2O3），而起到保护作用。但这种自然形成的氧化膜厚度仅0.02～1μm，保护能力不强。另外为使铝具有较大的机械强度，常在铝中加入少量其它元素，形成合金。但一般铝合金的耐蚀性能不如纯铝，因此常用阳极氧化的方法使其表面形成氧化膜以达到防腐耐蚀的目的。阳极氧化就是把金属在电解过程中作为阳极，使之氧化而得到厚度达到5～300μm的氧化膜。

传统电沉积技术及电化学阳极氧化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。这些新材料主要是通过共沉积或诱导沉积的方法，获得复合型功能材料，包括高反射、高吸收、高择优取向、多晶、微晶、无定形、高催化性能、超细（纳米）材料、生物活性材料、导电聚合物、聚合物金属化、金属聚合物化、半导体、铁电材料、高密度磁记录材料等。

电泳涂装　（electro-coating）是利用外加直流电场使悬浮于电泳液中的颜料或树脂等微粒定向迁移并沉积于电极表面的涂装方法。电泳涂装是近30年来发展起来的一种特殊涂膜形成方法，是水性涂料中最具有实际意义的工艺。具有水性无毒、安全、易于自动化控制、可一次加工完成等特点，迅速在汽车、建材、五金、家电等行业得到广泛的应用。电泳涂漆尤其适用于异型工件、大件、大规模的操作，如汽车外壳、自行车架等。另外利用胶体粒子的电泳沉积技术制备无机陶瓷模具有一些突出的优点，近年来此领域的研究也受到了很大重视。

化学抛光　依靠纯化学作用与微电池的腐蚀作用，使材料表面平滑和光泽化。

电解除油　金属制件作为阳极或阴极在碱溶液中进行电解以清除制件表面油污的过程。

电解浸蚀　金属制件作为阳极或阴极在电解质溶液中进行电解以清除制件表面氧化物和锈蚀物的过程。

化学蚀刻　利用腐蚀电化学原理进行金属定域“切削”的加工方法。

0.3.5　有机电化学

有机电化学在如下领域中得到了重要的应用：a.有机合成，即有机电解合成；b.有机高分子的合成；c.有机导电聚合物的合成；d.新的能源工业，如有机电池、全塑料电池；e.显示组件、敏感组件等；f.物质变换、改质等；g.处理环境污染；h.仿生合成等。这些应用技术都是环境污染小、节省资源和能源的可持续发展的技术，即绿色技术。如合成对氨基苯酚，它是制扑热息痛等药物和染料、橡胶助剂的中间体，国内目前主要以对硝基氯苯为原料，经加压水解、酸化、还原制得。其原料成本高，生产时间长，“三废”污染严重。如用有机电解合成法，以硝基苯为原料电解还原一步就可以得到对氨基苯酚。其原料成本低，生产流程短，“三废”污染少，不需要贵金属催化剂和加压设备，可以在常温常压下操作，生产环境安全，经济效益好。

0.3.6　生物电化学

生命物质是荷电的微粒或分子，生命现象最基本的过程是电荷运动，生命过程总是伴随着电化学过程，如营养物质的吸收和加工，神经系统中信息的传递，视觉的产生、物质氧化过程的能量储存，肌肉的运动等。因此可以应用电化学方法研究生物体内各种器官的生理规律及其变化，这在生物学、特别是医学上已有广泛应用，如心电图、脑电图等。对生物电化学的深入研究，可以为理解与揭示生命的奥秘，促进人类健康长寿，提供有力的科学手段。下面举几个常见的例子：a.神经系统实质上是生物电的调控系统，生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电位差。b.生物体内的活细胞可模拟为燃料电池，代谢作用就和燃料电池的工作相当。c.西施——翩若惊鸿、闭月羞花、美目盼兮、巧笑倩兮……实际上就是观察者从视网膜到神经再到大脑的一串电化学过程最终在人脑的处理结果。d.当把外来材料植入心脏后，血液和异物的接触常引起血凝和血栓，从而可能引起人的突然死亡。血凝的发生与植入物和血液之间的界面电位差有关。当“金属/血液”界面的电极电位为正时，很容易出现血凝。相反，电位为负时，很少或几乎没有血凝。这一发现很可能成为解决血凝问题的关键。

0.3.7　光电化学

尽管近期不可能解决光电化学应用于太阳能转换和存储的实用技术，液结太阳能电池尚无法与硅固体结太阳能电池竞争，但是光电化学仍然大有可为。例如光电合成和光催化合成［光解水制氢（图0-10）、固氮成氨、固二氧化碳为有机物、工业上大量有毒“三废”转化为有用物质等］；根据光电化学原理制造传感器、光电显色材料、信息存储材料及医学上进行灭菌，杀死癌细胞等。

0.3.8　环境电化学

工业部门采用电化学方法治理、监测“三废”生产的实例很多。电化学方法在净化环境方面的作用主要有：a.清洁（电解合成）。利用电化学反应替代有毒的反应物和苛刻的反应条件，可以减少环境污染物的产生。b.污染治理。例如生物法难以奏效的有机氯、磷、硫等合成药物废水，造纸、印染废水，采用电化学方法处理可获得满意的效果。c.环境监测电化学传感器、监测器为环境污染的有效连续监测，提供了高灵敏度和自动化的手段。

0.3.9　电化学分析及检测

电化学分析（electrochemical analysis）在实验室和工业监控中应用广泛。它是使待测对象组成化学电池，通过测量电池的电位、电流或电量、电导等物理量，实现对待测物质的组成及含量的分析。电化学分析法的特点为：a.灵敏度、准确度高，选择性好，被测物质的检测下限可以达到10-12mol/L数量级。b.电化学仪器装置较为简单，操作方便。直接得到电信号，易传递，尤其适合于化工生产中的自动控制和在线分析。

电化学传感器种类繁多，价格低廉，用途极为广泛。诸如各种有毒气体的微量监测仪（图0-11），酶电极、离子选择性电极以及生物组织电极、微生物电极等。更具体而言，目前市面上的主流血糖仪大多采用葡萄糖氧化酶电极测量法，其原理是通过测量血液中的葡萄糖与试纸中的葡萄糖氧化酶反应产生的电流量测量血糖。另外，酶抑制法是我国农药残留速测的主流技术。近年来，电化学酶抑制法由于取得显著进步而处于产业化前夜。