第8卷 第1期2002年2月
电化学
EL ECTROCHEMISTR Y
Vol.8 No.1
Feb.2002
文章编号:1006-3471(2002)01-0001-04 21世纪电化学的若干发展趋势
林仲华
(厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室,化学系,物理化学研究所,福建厦门361005)
摘要: 本文简要回顾20世纪后五十年电化学在理论、实验技术、新现象发现和应用等领域的重
要进展,提出了21世纪前期电化学的若干发展趋势,强调应重视电化学新体系的研究,以迎接21
世纪能源、材料、生命、信息和环境对电化学技术的挑战.
关键词: 电化学;20世纪;21世纪
中图分类号: O646 文献标识码: A
1 20世纪后五十年电化学的回顾[1～4]
20世纪后五十年,在电化学的发展史上出现了两个里程碑:Heyrovsky因创立极谱技术而获得1959年的诺贝尔化学奖,Marcus因电子传递理论(包括匀相和异相体系的电子传递)而获得1992年的诺贝尔化学奖.Marcus工作的开拓性部分是在50年代后期创立的.这一时期,电化学在理论、实验和应用领域均有长足的、关键的发展,并且主要集中在界面电化学(包括界面结构、界面电子传递和表面电化学).
20世纪后五十年,继20年代极谱技术创立之后,电化学系统地发展了现在称之为传统电化学研究方法的稳态和暂态技术,尤其是后者,为研究电界面结构和快速的界面传荷反应打下基础.但是,因为缺乏分子水平和原子水平的微观实验事实,电化学理论仍旧停留在宏观、唯象和经典统计处理的水平上.70年代兴起的电化学现场(in situ)表面光谱技术(例如紫外可见反射光谱、拉曼光谱、红外反射光谱、二次谱波、合频光谱等技术)、电化学现场波谱技术,以及非现场(ex situ)的表面和界面表征技术,尤其是许多高真空谱学技术,使界面电化学的分子水平研究成为可能.80年代出现的以扫描隧道显微镜(STM)为代表的扫描微探针技术,迅速被发展为电化学现场和非现场显微技术,尤其是电化学现场STM和AFM(原子力显微镜),为界面电化学的研究提供了宝贵的原子水平实验事实.总之,20世纪后五十年,由于上述各种实验技术的发展,促进了电化学中分子和原子水平的研究,为这一时期电化学理论和应用一些突破性进展奠定了基础.
收稿日期:2001-08-10
3基金项目:国家自然科学基金(29833060,20023001,20173044),教育部科技研究(99177)资助项目,博士点基金项目
这一时期,电界面结构理论实现了从宏观到微观的突破.本世纪初建立了电界面G ouy-Chapman-Stern (GCS )的双电层模型.GCS 模型认为界面存在紧密双层(Stern 层)和分散双层(G ouy-Chapman 层).尽管GCS 模型在电化学中相当普遍地被使用,但是GCS 模型基本上是宏观模型,只适用于稀溶液的电界面,并且难以用实验来验证.五十年前,Grahame 测量了汞-水溶液界面的微分电容曲线,发现微分电容具有两个特点:即在零荷电位微分电容具有极小值以及其分布相对于零电荷电位不对称.微分电容的这一不对称性,困扰了电化学界三十年.80年代以前,电化学家一直企图在GCS 模型的基础上通过改变Stern 层来解决这一不对称性问题,均不成功.直到80年代初,电化学家们建立了同时考虑金属-电解质溶液界面的电子结构和原子松驰的微观模型,Grahame 难题才有了比较合理的解释.诸多界面结构新模型基本上可分为两类:一类联合金属电子结构的凝胶模型和内Stern 层的偶极子模型;另一类联合包含所有电子波函数的电极模型和内Stern 层的溶剂水的分子动力学模型.在这些模型的基础上,进行量子力学模拟计算,从对表征界面结构的宏观参数(如电场、电位和微分电容)的计算结果看,上述微观模型在描述金属-水溶液界面结构比较成功.半导体和氧化物电极的界面结构因比金属电极复杂,尚未有较完善的微观理论.
固-液界面的电子传递是电化学反应动力学的中心基元步骤.电化学中至今还流行的界面传荷反应动力学方程—Butler-Volmer 方程,是建立在实验参数基础上宏观唯象方程.20世纪50年代以来,Marcus 建立了电子传递的微观理论,固-液界面的电子传递理论是其中的重要组成部分.Marcus 的电子传递理论,沿袭了微观化学动力学和电子跃迁理论的基本思路,但在反应粒子活化方式上主要考虑溶剂分子重排的扰动.理论中,Marcus 对反应物原子核的运动采用经典力学处理,计算速度参数时采用统计力学和非平衡连续介质极化理论.60年代,Levich 、Dogonadze 和Chizmadzhev 等发展了Marcus 理论,针对非绝热过程,对原子核的运动采用了量子力学处理.以Marcus 为代表的固-液界面电子传递理论原则上可以计算金属-溶液、半导体-溶液等各种界面的电子传递速度常数,已处理了许多电子反应体系,正确地预见了许多电子传递反应机理,在电化学界逐步得到共识.当然,Marcus 电子传递理论只是引导固-液界面电子传递现代理论的建立和发展,理论本身及进一步应用理论研究具体电化学体系的电荷传递反应,均有很长的路要走.就Marcus 理论而言,在界面电子传递的阐明中也还存在以下困难:理论只解决电极与反应物粒子电子轨道弱作用的界面传荷过程,即所谓外球传荷过程;欲从Marcus 理论推导出电化学中著名的动力学经验方程—Tafel 方程,须有重组能远大于反应标准自由能和反应物、产物转移功的假设,这一假设对满足Tafel 方程条件的电化学体系不具有普遍性;与从Marcus 理论推断出的电子传递反应存在着反转效应类似.在界面传荷反应中,从Marcus 理论可以预见,通过改变电极电位,可能出现无活化(传荷系数=1)或无势垒(传荷系数=0)反应的极端情况,但至今电化学实验能否观察到该效应尚无定论.
二十世纪后50年是电化学新体系研究和实验信息的丰产期.实验上发现了一些有重要意义的表面光谱效应,包括金属、半导体电极的电反射效应,金属电极表面红外光谱选律,表面分子振动光谱的电化学Stark 效应,表面增强拉曼散射效应,表面增强红外吸收效应.这一时期电化学应用技术也有不小的突破.发明了对信息技术至关重要的锂离子二次电池,镍氢化物电池和导电聚合物电池.被誉为21世纪“绿色”发电站和解决电动汽车动力最佳选择的燃料电
?2?电 化 学2002年
池,从实验室研究进入商品化的前夕,已筛选出最有商品化希望的四种燃料电池:磷酸燃料电池(PAFC ),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC ),固体氧化物燃料电池(SOFC )和聚合物电解质燃料电池(PEFC ),此外甲醇直接燃料电池的实验室研究也倍受重视.电催化氧化物电极,例如二氧化钌电极在电解工业的应用,引来了氯碱工业的一场革命.表面功能电沉积给古老的电镀工业带来了新生.钝化、表面处理、涂层、缓蚀剂、阴极和阳极保护等技术在金属防腐蚀中的广泛应用,保证金属成为现代社会的支柱材料成为可能.
2 21世纪的若干发展趋势[1,2]
21世纪的前期,界面电化学的分子、原子水平研究仍然是电化学理论研究的重点,主要有:界面结构微观模型的进一步完善,尤其是离子特性吸附结构模型和半导体-溶液界面微观模型的建立,界面结构微观模型在界面传荷动力学和表面电化学中的应用;Marcus 固-液界面电子传递理论的进一步完善,建立内球过程的电子传递理论,电子传递理论的进一步实验验证,以及在电化学新体系中的应用;化学键合吸附(包括电催化过程的吸附)的量子化学模型及计算、表面化学键的性质;纳微米体系的界面结构、界面动电现象、界面电子传递、光电过程、发光过程等实验和理论.
21世纪,由于材料、能源、信息、生命、环境对电化学技术的要求,电化学新体系和新材料的研究将有较大的发展.目前可预见的有:1)纳米材料的电化学合成;2)纳米电子学中元器件、集成电路板、纳米电池、纳米光源的电化学制备;3)微系统、芯片实验室的电化学加工以及界面动电现象在驱动微液流中的应用;4)电动汽车的化学电源和信息产业的配套电源;5)氢能源的电解制备;6)太阳能利用实用化中的固态光电化学电池和光催化合成;7)消除环境污染的光催化技术和电化学技术;8)玻璃、陶瓷、织物等的自洁、杀菌技术中的光催化和光诱导表面能技术;9)生物大分子、活性小分子、药物分子的电化学研究;10)微型电化学传感器的研制.
21世纪前期,电化学实验技术估计不会有大的突破,我国电化学队伍中的量子电化学力量相对薄弱,而21世纪前期电化学的机会将较多地赋予电化学新体系.因此,我国电化学研究应当向电化学新体系研究倾斜,包括研制电化学体系新材料,新体系的结构和性能,新体系的应用基础等的研究.
Some Trends of Electrochemistry in 21st Century
L IN Zhong-hua
(S tate Key L ab.f or Phy.Chem.of the Soli d S urf ace ,Dept.of Chem.
Inst.of Phys.Chem.,Xiamen U niv.,Xiamen 361005,Chi na )
Abstract :The important advances in electrochemistry in the late twentieth century are re 2viewed and some trends of electrochemistry in earlier stage of the twenty-first century are dis 2cussed.Future researches in electrochemistry are indicated with an emphasis being made on the
?3?第1期 林仲华:21世纪电化学的若干发展趋势
electrochemistry in new systems.
Key words :Electrochemistry ,Twentieth century ,Twenty-first century
Reference s :
[1] Wieckowski A ed.Interfacial Electrochemistry —Theory ,Experiment ,and Applications[M ].New Y ork :Mar 2
cel Dekker ,Inc.,1999.
[2] Lipkowski J and Ross Philip N eds.Adsorption of Molecules on Metal Electrodes[M ].New Y ork :VCHpub 2
lisher ,Inc.,1992;Structure of Electrified Interfaces[M ].New Y ork :VCH publisher ,Inc.,1993;Electro 2chemistry of Novel Materials[M ].New Y ork :VCH publisher ,Inc.,1994;Electrocatalysis[M ].New Y ork :VCH and Joho Wiley &S ons ,Inc.,1998.
[3] Bard A J ,Faulkner L R.Electrochemical Methods —Fundamentals and Applications ,Second ed.[M ].New
Y ork :John Willey ,Inc.,2001.
[4] Lin Z H ,Y e S Y ,et al.Optical Methods in Electrochemistry[M ].Peking :Science Press ,1990.
?4?电 化 学2002年