应用电化学：电催化.pptxVIP

教学要求：掌握电催化原理，了解影响电催化性能

的因素，掌握评价电催化性能的方法

重点：电催化原理

难点：评价电催化性能的方法

学习内容与任务

1)电催化原理

2)氢电极反应的电催化

3)氧电极反应的电催化

4)有机小分子的电催化氧化

电催化过程

电催化的类型及一般原理

影响电催化性能的因素评价电催化性能的方法

电催化过程

什么是催化作用?什么是催化剂?

很多化学反应在热力学上是有利的，但不能以显著的速率发生，有必要寻找均相的或复相的催化剂，以降低总反应的活化能，提高反应进行的速率。

许多电极反应，总是在高超电势下才可能发生，原因是这

类电极反应的交换电流密度较低(不良的动力学特征)。电催化的目的是寻求提供其他具有较低能量的活化途径，从而使这类电极反应在平衡电势附近以高电流密度发生。任何电解过程的能量效率部分是由阴、阳极上不可少的超电势所决定。

电催化原理

电催化(electrocatalysis):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。

说明：

①基底电极可以是一个电子导体也可以是既作为电子导体又兼具催化功能。

②电极修饰物对反应物进行活化，还可以传递电子。

③电催化的本质就是通过改变电极表面修饰物或溶液相中的修饰物来大范围地改变反应的电势或反应速度，使电极除具有电子传递功能外，还能对电化学反应进行某种促进或选择。

④电极材料是电化学研究中的重要课题。

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电催化原理

本质：

通过改变电极表面修饰物(有时为表面状态)或溶液相中的修饰物来改变反应电势或反应速率，对电化学反应进行某种促进和选择。

研究核心：电极材料及其表面性质

电催化原理

电极反应的催化作用根据电催化剂的性质可以分为

氧化-还原电催化和非氧化-还原电催化两大类。

1.氧化-还原电催化

氧化-还原电催化：在催化过程中固定在电极表面或存在于电解液中的媒介体电催化，催化剂本身发生了氧化-还原反应，成为底物的电荷传递的媒介体(mediator)促进底物的电子传递，又称媒介体电催化。

电催化的类型及一般原理

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M

R+A→0+B

反应物(A)

氧化一还原电催化图解过程

总反应：A+ne

中间产物

产物(B)

媒介体

0+ne

→B

R

例如，反应在电极上直接进行还过电位较

高。而Fe³+较容易在电极上还原为Fe²+,可在电解液中加入Fe³+:

净反应：Fe³++e→Fe²+(电极上)

Fe²++1/2H₂O₂⇔Fe³++OH-(溶液中)1/2H₂O₂+e→OH-

1/2H₂O₂+e→OH

口能稳定吸附或滞留在电极表面；

□可与被催化的物质之间发生快速的电子传递；

口氧化一还原电势与被催化反应的电势接近；

口呈现可逆电极反应的动力学特征，且氧化态和还原态均能稳定存在.

媒介体应具有的主要性质：

总反应：A+ne→B

0+neR

R+A→0+B

电催化的类型及一般原理

对于氧化-还原电催化，电极反应的催化作用既可以通过附着在电极表面的修饰物(称为异相电催化),也可以通过溶解在电解液中的氧化-还原物种而发生(称为均相电催化)。

异相电催化有明显的优点：

(1)催化反应发生在氧化-还原媒介体的式电位附近，只涉及简单电子转移反应。

(2)量少，可在反应层内提供高浓度催化剂。

(3)反应速度快。

(4)不需要分离产物和催化剂。

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电催化的类型及一般原理

2.非氧化-还原电催化

非氧化一还原电催化：指固定在电极表面的催化剂本身在催化过程中并不发生氧化一还原反应，当发生的总电化学反应中包括旧键的断裂和新键的形成时，发生在电子转移步骤的前后或其中，而产生了某种化学加成物或某些其他的电活性中间体。

说明：

①电催化反应的电势与媒介体的式电位会有所差别，称为外壳层催化。

②催化剂主要包括贵金属及其合金、

欠电势沉积吸附的原子和金属氧化物。非氧化一还原电催化过程

影响电催化性能的因素

电催化剂必须具备的性能主要有以下几个方面：

(1)催化剂有一定的电子导电性，电极材料的电阻不太大。

(2)高的催化活性，包括实现催化反应、抑制有害的副反应，也包括能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地失去活性。

(3)催化剂的电化学稳定性。

催化剂的选择必须使催化剂的导电性、稳定性和催化活性均能得到兼顾。

影响电催化活性的主要因素：

(1)催化剂的结构和组成：能改变电