《电化学原理》课件.pptVIP

*************************************电化学石英晶体微天平基本原理电化学石英晶体微天平(EQCM)基于压电效应，通过测量石英晶体的谐振频率变化来监测电极表面质量变化。根据索贝瑞方程，频率变化与质量变化成正比：Δf=-C·Δm，其中C为敏感因子，与石英晶体的基本性质有关。仪器结构EQCM主要由石英晶体、电极涂层、振荡电路和频率计数器组成。石英晶体通常为AT切割型，两面涂有金属电极；其中一面与溶液接触，作为工作电极；同时具有压电特性，能在交流电场作用下产生机械振动，形成稳定的谐振频率。应用领域电化学沉积和溶解过程的研究：通过监测频率变化可实时测量沉积量；电化学吸附现象的研究：能检测亚单分子层的吸附；聚合物修饰电极的研究：可监测聚合物膜的生长和溶胀；生物传感器开发：用于监测生物分子结合事件；电池电极材料的研究：监测充放电过程中的质量变化。数据分析EQCM可同时获取电化学数据(电流、电位)和质量数据(频率变化)，通过分析二者关系可获得每摩尔反应的质量变化，有助于确定反应机理和副反应。需注意频率变化不仅受质量影响，还可能受溶液黏度、密度、电极表面应力等因素影响。原电池定义与基本原理原电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，基于自发的氧化还原反应。在原电池中，氧化反应和还原反应在空间上分离，电子通过外电路从高能级（阳极）流向低能级（阴极），形成可用的电流。原电池的核心部件包括阳极（发生氧化反应，释放电子）、阴极（发生还原反应，接受电子）、电解质（提供离子传导通路）和隔膜（防止短路，允许离子通过）。电池的电动势取决于两极的电极电位差。分类与特点按照使用方式分类：一次电池（使用后不可充电，如锌-锰电池）；二次电池（可充电使用多次，如铅蓄电池、锂离子电池）；燃料电池（连续供应反应物，可持续发电，如氢氧燃料电池）。按照电解质类型分类：水溶液电池（电解质为水溶液，如锌-铜电池）；熔盐电池（电解质为熔融盐，如熔盐燃料电池）；固态电池（电解质为固体离子导体，如全固态锂电池）；有机电解质电池（如锂离子电池）。常见原电池1锌-铜电池（丹尼尔电池）阳极：锌电极，Zn→Zn2?+2e?；阴极：铜电极，Cu2?+2e?→Cu；电解质：锌硫酸溶液和铜硫酸溶液，用盐桥或多孔隔膜连接。标准电动势约1.1V。这是最早发明的电池之一，常用于教学演示但实际应用有限。2铅蓄电池阳极：铅栅板，Pb+SO?2?→PbSO?+2e?；阴极：二氧化铅电极，PbO?+4H?+SO?2?+2e?→PbSO?+2H?O；电解质：硫酸溶液。标称电压2.0V，充满电后可达2.1V。具有电压稳定、价格低廉、大电流放电能力强等优点，主要用于汽车启动、应急照明等领域。3锌-锰电池（干电池）阳极：锌壳，Zn→Zn2?+2e?；阴极：二氧化锰与石墨混合物，2MnO?+Zn2?+2e?→Mn?O?+ZnO；电解质：氯化铵或氯化锌凝胶。电压约1.5V。价格低廉，广泛用于便携设备。碱性锌-锰电池性能更佳，使用氢氧化钾电解质，寿命和放电性能优于传统碳性电池。燃料电池工作原理燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，避免了热机的卡诺循环限制，具有高能量转换效率的优势。燃料和氧化剂连续供应到电池的阳极和阴极，通过电化学反应产生电流。与传统电池不同，燃料电池不存储能量，而是能量转换装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢气为燃料，以氧气(空气)为氧化剂，使用质子交换膜作为电解质。阳极反应：H?→2H?+2e?；阴极反应：1/2O?+2H?+2e?→H?O。工作温度较低(60-80°C)，启动快，功率密度高，适用于交通工具和便携设备。关键挑战包括贵金属催化剂成本和氢气存储问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)使用固体氧化物（通常为掺杂的氧化锆）作为电解质，能直接使用天然气等碳氢燃料。工作温度高(700-1000°C)，不需贵金属催化剂，电极反应动力学快，效率高。适用于分布式发电和大型电站。主要挑战是材料稳定性、热循环耐受性和启动时间长等问题。锂离子电池1高能量密度高于传统二次电池2循环寿命长正常使用可达1000次以上3自放电率低每月约3-5%4无记忆效应随时充电不影响容量5工作温度范围宽-20℃至60℃可正常工作锂离子电池是目前最重要的二次电池，工作原理基于锂离子在正负极材料中的嵌入和脱出过程。充电时，锂离子从正极脱出，通过电解质迁移到负极并嵌入；放电时则相反。电池的正极材料通常为锂过渡金属氧化物（如LiCoO?