引言

伴隨當今科技的發展，不僅電化學理論和電化學方法不斷創新，而且在應用領域，如化學工業能源材料科學和環境保護等方面同樣也占有越來越重要的地位，燃料電池在發電及汽車工業的應用以及生物電化學這一新領域所取得的突出成績都是比較典型的例子，因此應強調重視電化學新體系的研究，以面對未來能源、材料、生命、信息和環境對電化學技術的挑戰 .

一、現代發展回顧

20 世紀后五十年，在電化學的發展史上出現了兩個里程碑：Heyrovsky 因創立極譜技術而獲得 1959 年的諾貝爾化學獎，Marcus 因電子傳遞理論而獲得 1992 年的諾貝爾化學獎。20 世紀后五十年，繼 20 年代極譜技術創立之后，電化學系統地發展了現在稱之為傳統電化學研究方法的穩態和暫態技術，尤其是后者，為研究電界面結構和快速的界面傳荷反應打下基礎。但是，因為缺乏分子水平和原子水平的微觀實驗事實，電化學理論仍舊停留在宏觀、唯象和經典統計處理的水平上。70 年代，物理學理論的不斷發展為觀測微觀水平提供了有力的技術手段，例如電化學現場表面光譜技術、使界面電化學的分子水平研究成為可能。80 年代出現的以掃描隧道顯微鏡（STM）為代表的掃描微探針技術，迅速被發展為電化學現場和非現場顯微技術，尤其是電化學現場STM和AFM（原子力顯微鏡），為界面電化學的研究提供了原子水平實驗基礎。總之，20 世紀后五十年，由于上述各種實驗技術的發展，促進了電化學由宏觀研究逐漸轉移到分子和原子微觀水平的研究，為這一時期電化學理論和應用一些突破性進展奠定了基礎。

二、應用概述

1.電化學工業

電化學在工業上起著相當重要作用，包括電解金屬加工與處理電池和燃料電池水和廢水處理等方面的應用。

氯堿工業——這是世界上最大的電化學工業，它是通過電解食鹽水，從而獲得氯氣和苛性鈉的過程氯氣用于制備氯乙烯，進而合成得到 PVC，還可用作紙漿及紙的漂白劑和殺菌劑。工業中常用的有三種電解池 : 汞電解池隔板電解池離子選擇性電解池。由于氯的腐蝕力和電極本身的氧化，傳統碳棒或石墨陽極已經遠遠不能滿足現代工業生產的需求，而由此也催生出了一批新興的電極材料，例如 RuO 2 涂層的鈦電極，RuO 2涂層中含有一定量的過渡金屬氧化物，如 Co 3 O 4 等這類陽極幾乎不被腐蝕，它的超電勢在 4 ～ 5mV 之間，還有一個優點是 : 不希望出現的析氧副反應已被降到非常低的程度 （1% ～ 3%）。

該法不需要很多化學藥品，后處理簡單，占地面積小，管理方便。常見的方法有以下幾種 : 電解回收——電化學方法可將溶液中的金屬離子逐步除去，因此常常可以使一些可以重新利用的金屬再生出來。電化學氧化，這是一種較成熟的水處理技術，并日益成為水處理的熱點，研究范圍涉及處理印染水制藥廢水制革廢水和造紙黑液等。當然除此之外還有微電解法、電解氣浮法和電滲析法等新興方法。

2.金屬腐蝕與電化學防護

鋼鐵生銹、銅器泛綠、銀具變黑等都是材料 （ 通常是指金屬 ） 及其結構物，制件與其所處環境介質之間的化學反應或電化學反應所引起的破壞或變質。這類破壞或變質被稱之為材料的腐蝕。金屬的腐蝕嚴重破壞了國民經濟和國防建設，通過電化學研究金屬的腐蝕對于提高我們的生活水平有著重要的意義。

按照金屬的腐蝕機理可以將金屬腐蝕分為化學腐蝕與電化學腐蝕兩大類。

化學腐蝕就是金屬與接觸到的物質直接發生氧化還原反應而被氧化損耗的過程；電化學腐蝕就是鐵和氧形成兩個電極，組成腐蝕原電池，因為鐵的電極電位總比氧的電極電位低，所以鐵是陽極。

遭到的腐蝕不管是化學腐蝕還是電化學腐蝕，金屬腐蝕的實質都是金屬原子被氧化轉化成金屬陽離子的過程。這里著重研究金屬腐蝕的電化學防護。

電化學保護指的是利用外部電流使金屬電位改變以降低其腐蝕速度的防腐蝕技術。按照金屬電位改變的方向，電化學保護分為陰極保護和陽極保護兩大類。

⑴陰極保護

陰極保護是一項十分實用有效的防腐蝕技術。無論是犧牲陽極法，還是外加電流法，在工程上都有著很大的應用前景。

陽極的研制是陰極保護進展的重要方面。陽極中合金元素的作用機理仍在繼續深入研究。這也在一定程度上推動了電化學材料科學的發展。為了降低生產成本，已開始探索利用工業純原料代替高純度原料制備犧牲陽極的可能性。

在構筑物密集的城市地下實施外加電流陰極保護時，已推廣應用深埋陽極，以減小對周圍的干擾。

陰極保護的應用范圍也在繼續擴大，為了對付混凝土鋼筋的腐蝕問題，陰極保護已作為—項主要的防蝕措施而提出。傳統的陰極保護技術只能應用于液體電解質或以此為導電組分的腐蝕環境 （ 如土壤 ） 中，不能控制大氣腐蝕和水線以上的腐蝕，因為保護電流不能達到與液體電解質接觸的金屬表面。這也是電化學防護中亟待解決的問題。

⑵陽極保護

陽極保護適用于具有活化 --- 鈍化轉變的體系。它依靠通入陽極極化電流使金屬電極電位正移，在表面生成鈍化膜，從而減緩了腐蝕。它的特點是：

在進入穩定的鈍態后，腐蝕速度顯著降低，日常運行費用也低，在正常情況下可以達到十分有效的保護；陽極保護時電位分布比較均勻，能夠應用于形狀較復雜的設備，為了使電位進入穩定鈍化區，陽極保護的電位控制要求比較嚴格，否則可能有增加陽極溶解的危險。陽極保護主要應用在化工設備的防腐蝕。例如碳化塔冷卻水箱陽極保護，氨水罐群陽極保護。

⑶生物電化學

生物電化學是 20 世紀 70 年代由電生物學、生物物理學、生物化學以及電化學等多門學科交叉形成的一門獨立的學科。

生物電催化，它可定義為在生物催化劑酶的存在下與加速電化學反應相關的一系列現象。在電催化體系中，生物催化劑的主要應用有：研制比現有無機催化劑好的，用于電化學體系的生物催化劑 ; 研制生物電化學體系，合成用于生物體內作為燃料的有機物 ; 應用酶的專一性，研制高靈敏的電化學傳感器。

生物電分析是分析化學中發展迅速的一個領域。利用生物組分，如酶、抗體等來檢測特定的化合物，這一方面的研究導致了生物傳感器的發展。

微電極傳感器是將生物細胞固定在電極上，電極把微有機體的生物電化學信號轉變為電勢。因此微電極傳感器在醫學中的應用有著非常廣闊的前景。人體腦電圖肌電圖和心電圖的分析對檢測和處理相關疾病是非常重要的，而所有這些技術都是基于測量人體中產生的電信號。

⑷化學電源

早在 1800 年 Volta 利用不同金屬與電解質接觸所構成的 Votal 堆電池技術取得實質性進展始于 19 世紀。1860 年法國人 Plante 首次發明了實用的鉛蓄電池并于 1882 年商品化這種電池至今仍是蓄電池的主導產品之一 1868 年法國工程師 Gleclanche 發明了采用 NH4Cl 水溶液作電解質溶液的鋅二氧化錳電池而成為當今使用最廣泛的鋅錳電池的雛形又稱 lecclanche 這種電池于 1888 年商品化 19 世紀末 20 世紀初鎘鎳鐵鎳等堿性蓄電池系列相繼問世 20 世紀 90 年代電子技術移動通訊事業的進步推動了電池產業和技術的高速發展金屬氫化物鎳電池鋰離子等新型蓄電池系列不斷商品化。電動車的發展促進了鋅空氣鋅鎳燃料等系列取得突破性進展。隨著科學技術的不斷進步新的電池系列越來越多。

常見的電池種類有鋅——二氧化錳電池、鉛蓄電池、鎳鎘電池金屬氫化物鎳電池、鋰電池、鋅銀電池等。其中鋰電池與鋅銀電池具有非常寬廣的發展前景。

鋰電池使用能使鋰離子嵌入和脫嵌的碳材料代替純鋰作負極 LiCoO 2 、LiNiO 2 、LiMn 2 O 4 等作正極混和電解液如 LiPF 6 的碳酸乙酯碳酸甲乙酯溶液等作電解質溶液既保持了高電壓高容量的優點又具有比能量大循環壽命長安全性能好無記憶效應等特點。可用于通訊便攜式電子設備電動車軍事航天航海設備。

鋅銀電池是以鋅作負極活性物質AgOAg 2 O 作正極活性物質的電池。鋅銀一次電池適用于小電流連續放電的微型器具廣泛用于電子手表照相機微型電子儀器等小型電子器具。鋅銀蓄電池主要用于軍事國防尖端科技領域，如衛星電源航天起動電源導彈用電源魚雷動力電源、軍用殲擊機隨航應急電源等。

三、發展現狀及特點

1.研究范圍不斷擴大，研究尺度逐漸深入到分子水平

研究的具體體系大為擴展，從局限于固體金屬和碳電極等，擴大到許多新材料（例如氧化物、有機聚合物導體、半導體、固相嵌入型材料、酶、膜、生膜等等），并以各種分子、離子、基團對電極表面進行修飾，對其內部進行嵌入或摻雜；從水溶液介質，擴大到非水介質（有機溶劑、熔鹽、固體電解質等）；從常溫常壓擴大到高溫高壓及超臨界狀態等極端條件；從對無機物的研究逐漸開始了對有機生命體中電化學體系的研究。

隨著理論的不斷發展，人們逐漸意識到對于電化學的研究不能僅僅停留在宏觀、唯象和經典統計處理的水平上，只有通過對微觀結構的實驗及研究，才能更好的掌握電化學反應的機理。

2.技術手段愈來愈先進，研究不斷提高和創新

以電信號為檢測手段的傳統電化學研究方法持續朝提高檢測靈敏度，適應各種極端條件及各種新的數學處理的方向發展。與此同時，電化學現場（insitu）表面光譜技術（例如紫外可見反射光譜、拉曼光譜、紅外反射光譜、二次譜波、合頻光譜等技術）、電化學現場波譜技術，以及非現場（exsitu）的表面和界面表征技術 , 使界面電化學的分子水平研究成為可能。以掃描隧道顯微鏡（STM）為代表的掃描微探針技術正得以充分的應用，迅速被發展為電化學現場和非現場顯微技術，尤其是電化學現場 STM和 AFM（原子力顯微鏡），為界面電化學的研究提供了技術保障，并朝著力求如實地表征電化學體系的方向發展。

計算機數字模擬技術和微機實時控制技術在電化學中的應用也正在迅速、廣泛地開展。

3.學科延伸廣，應用范圍大

當代電化學領域已經比 Bockris 定義的范圍又拓寬了許多。實際上還有學者認為電化學領域更寬。如日本的學者小澤昭彌則認為 , 電化學涵蓋了電子、離子和量子的流動現象的所有領域 , 它橫跨了理學和工學兩大方面 , 從而可將光化學、磁學、電子學等收入版圖之中。

若從宏觀和微觀兩個角度來理解的話 ,可以認為 , 宏觀電化學是研究電子、離子和量子的流動現象的科學。微觀電化學還可以有廣義的和狹義之分 , 廣義的微觀電化學是“研究物質的帶電界面上所發生現象的科學”， 而狹義的微觀電化學則是“研究物質的化學性質或化學反應與電的關系的科學”。

四、未來發展方向

1.前沿學科電化學研究不斷朝著微觀方向發展這也促進了界面電化學的不斷進步。界面電化學，即電化學界面微觀結構，電化學界面吸附，電化學界面動力學和理論界面電化學，主要研究電化學界面微觀結構模型的建立，例如原子、離子、分子、電子等的排布，界面電場的形成，界面電位的分布，界面區粒子間的相互作用，電極表面的微結構和表面重建，表面態等的建立，構成了電化學的基礎。

而對材料合成和加工控制、薄膜技術、材料表征、表面處理、金屬腐蝕等方面的研究，也使得電化學材料學科的不斷成熟，上表為電化學材料科學主要研究對象及內容。

2.新興學科⑴光電化學將光化學與電化學方法合并使用，以研究分子或離子的基態或激發態的氧化還原反應現象、規律及應用的化學分支。屬于化學與電學的交叉學科。

其中光電催化是光電化學的一個重要分支，主要研究半導體光電極在將光能轉換為化學能的光電化學電池中，用半導體材料作光電極，起光吸收和光催化作用。n 型半導體構成光陽極 , 只催化氧化反應 ;p 型半導體構成光陰極，只催化還原反應。但半導體表面一般不具有良好的反應活性，電極反應往往需較高的過電位。經過適當的表面處理（如熱處理、化學刻蝕和機械研磨等 ） 來改變電極的表面狀態（如價態分布、晶格缺陷、晶粒粒度、比表面和表面態分布等），可以大大改善其催化活性。

⑵生物電化學生物電化學是 20 世紀 70 年代由電生物學、生物物理學、生物化學以及電化學等多門學科交叉形成的一門獨立的學科。是用電化學的基本原理和實驗方法，在生物體和有機組織的整體以及分子和細胞兩個不同水平上研究或模擬研究電荷（包括電子、離子及其他電活性粒子）在生物體系和其相應模型體系中分布、傳輸和轉移及轉化的化學本質和規律的一門新型學科。具體包括生物體內各種氧化還原反應（如呼吸鏈、光合鏈等）過程的熱力學和動力學；生物膜及模擬生物膜上電荷與物質的分配和轉移功能；生物電現象及其電動力學科學實驗；生物電化學傳感等電分析方法在活體和非活體中生物物質檢測及醫藥分析。仿生電化學（如仿生燃料電池、仿生計算機等）等方面的研究。是生命科學最基礎的學科之一。

五、結語

21 世紀，由于材料、能源、信息、生命、環境對電化學技術的要求，電化學新體系和新材料的研究將有較大的發展。目前可預見的有：1. 納米材料的電化學合成；2. 納米電子學中元器件、集成電路板、納米電池、納米光源的電化學制備；3. 微系統、芯片實驗室的電化學加工以及界面動電現象在驅動微液流中的應用；4. 電動汽車的化學電源和信息產業的配套電源；5. 氫能源的電解制備；6. 太陽能利用實用化中的固態光電化學電池和光催化合成；7. 消除環境污染的光催化技術和電化學技術；8.玻璃、陶瓷、織物等的自潔、殺菌技術中的光催化和光誘導表面能技術；9. 生物大分子、活性小分子、藥物分子的電化學研究；10. 微型電化學傳感器的研制。我國在以上方面均有研究，但是在國際上并非遙遙領先。其次，相比西方國家我國的自主創新能力稍顯不足，因此，我國電化學研究應當向電化學新體系研究傾斜，包括研制電化學體系新材料，新體系的結構和性能，新體系的應用基礎等的研究。