电催化作用

在电场作用下,能促进或抑制在电极-溶液(或熔相)界面上进行的电子转移化学反应,而电极本身并不改变的那类化学作用称为电催化作用.电催化作用中的电极除了一般地传递电子之外,还能对反应底物进行活化或促进电子的转移速度,或二者兼有.例如,过去曾把氢释出反应2H~ 2e→H_2,按照过电位的大小,区分为一类是高过电位的(Hg、Pb、Ca……);另一类为低过电位的(Au、Ni、Pt……).究其实质是因为不同电极材料,影响到氢释出反应的机制,从而导致过电位有较大范围的变动.这说明了电极除了传送电子的功能之外,还能对电化学反应进行某种促进与选择,这就是电催化作用的实质所在.     

在石墨及聚酞菁化合物电极上氧还原的电催化

选择浸蜡石墨作基体电极,用旋转环-盘技术,考察了碱性溶液中基体电极上的氧还原机理。在浸蜡石墨电极上,氧的还原是通过有中间产物过氧化氢的二电子途径,用金属聚酞菁修饰的浸蜡石墨电极,具有高的氧还原活性,在聚酞菁钴电极上,氧还原沿着二电子途径,给出过氧化物;而在聚酞菁铁电极上,氧还原是按无过氧化物的直接四电子反应进行。     

外在因素对TiO2膜电极/溶液界面CPE行为的影响

电极反应过程本质上是一个界面过程,电极／溶液界面的特性对界面电子转移有决定性的影响,对于同 个电极反应,电极表面性质的不同,界面电子传递的机理就有可能不同,因此,对电极／溶液界面特性进行充分的研究,有助于揭示界面电荷转移的机理,从而有可能有效地按照我们的主观愿望去影响电机反应进行的方向和速度,研究电极／溶液界面最简单的情形是研究所谓的理想极化电极,长期以来,很多学者研究了固体电极／溶液界面的理想极化情况,并将电极／溶液界面的阻抗特性与电极表面的孔隙度、粗糙度、电极表面原子排列不均一性以及溶液的电导等相关联,其中,对电极／溶液界面的恒相位元(CPE,constant phase element）行为－－这个困惑人们多年的问题更是进行了持久、深入、细致的研究。     

氮氧自由基研究 XVIII: 水溶液中哌啶氮氧自由基单电子氧化电极反应动力学参数的测定

氮氧自由基可作为电子给体或受体,与氧化剂或还原剂发生单电子转移反应,也能在电极上被氧化或还原。深入研究氮氧自由基的电化学行为,对于阐明氮氧自由基的电子转移反应机理有着重要的意义,以往,仅Suemmermann报道过哌啶氮氧自由基在乙腈溶液中单电子氧化电极反应的动力学参数。我们曾研究了哌啶氮氧自由基于水溶液中的电化学行     

电极电势:从电化学势说起*

对于原电池,电极电势的本质是化学体系对电极材料上电子势能的影响,其正负极电势差反映化学能向电能转化的趋势。电极界面上化学物质的氧化/还原反应是通过何种途径影响到电极上电子势能的,现有的教材和论著没有给出明确的解释。本文基于相间电化学势平衡原则阐明了固液界面上离子平衡与电极上电子电势的关系,并由此给出了标准电势的物理含义:它是构成电极体系一系列物性参数的组合,包括被测电极的电子、离子化学势,工作电极电解液的离子化学势,参比电极的电子、离子化学势和参比电极电解液的离子化学势等。     

γ-二氧化锰电极/溶液界面电子转移动力学

以 [Fe( CN) 6]3- 为受体 ,用大范围分析法 ( global analysis)研究了 γ-二氧化锰电极 /溶液界面的电子转移反应。结果表明 :二氧化锰电极的电子转移速率常数随过电位的变化关系较复杂 ,出现两个反转区 ,与经典的 Marcus电子转移理论不相符合。但 Yuri G.Boroda等人对半导体电极 /溶液界面提出的模型能够很好地解释本文的实验结果 ,表明其电子转移反应是分两步进行的。     

多电子反应材料推动高能量密度电池发展：材料与体系创新

全球能源结构转型推动了电化学储能系统的飞速发展,提高能量密度是发展新型二次电池的重要方向和研究热点。然而,受限于传统的嵌入式反应,锂离子电池在能量密度上已经逐渐达到极限。要发展更高能量密度的新型二次电池,需要在新理论、新材料和新体系上进行突破。基于此,本文总结了20年来多电子反应材料概念的形成、理论的发展、材料创制的历程。在“轻元素多电子反应”和“多离子效应”核心设计准则的指导下,具有上述特征的电极材料与电池结构不断发展迭代,引领了高能量密度电池的发展方向。从阳离子氧化还原到阴阳离子协同氧化还原,从嵌入式反应到合金化反应,从传统有机液态体系到电池固态化,本文梳理了典型的多电子反应正负极材料的结构特性、体系创新和工程化前景,剖析了多电子反应电极材料的瓶颈问题,并分析了电池固态化发展所面临的挑战。最后,对高能量密度电池的未来发展趋势和难点进行了归纳与展望。     

二维纳米片层孔洞化策略及组装材料在超级电容器中的应用

功率密度高、倍率性能优异和循环性能好等特性使得超级电容器在储能领域显示了巨大的应用前景。尽管二维层状材料剥离形成的纳米片层不仅可为电化学反应提供独特的纳米级反应空间,而且由其组装的层状纳米电极材料具有化学和结构上的氧化还原可逆性及纳米片层水平方向上离子或电子快速传输通道。但是,纳米片层组装电极材料在纳米片层垂直方向上离子或电子传输存在障碍,对于超级电容器功率密度和能量密度的提高及实现快速能量储存非常不利。因此,如何通过改善离子或电子的快速传输,实现超级电容器大功率密度下的高能量密度是超级电容器电极材料发展的方向之一。本文主要综述了二维层状材料剥离成纳米片层,纳米片层孔洞化策略及组装孔洞化材料在超级电容器电极材料中的应用。纳米层孔洞化技术是改善层状电极材料在纳米片层垂直方向离子或电子传输的有效手段,为实现高比电容下的高倍率性能超级电容器电极材料制备提供了方法学。最后,对开发大功率密度下的高能量密度超级电容器电极材料提出了展望。     

用三电极系统研究水/硝基苯界面上的电荷转移反应

将含有氧化还原电对的水溶液滴涂在铂电极上, 然后将该电极插入到硝基苯溶液中, 与参比电极和对电极构成常规的三电极系统. 利用该系统研究了水相与硝基苯相之间界面上的离子转移和电子转移反应. 以铁氰化钾/亚铁氰化钾为电对观察到钾离子在水/硝基苯界面上的转移反应以及铁氰化钾与二茂铁之间的电子转移反应；以硫酸铁/硫酸亚铁为电对观察到锂离子、钠离子、氢离子、铵离子和钾离子在水/硝基苯界面的转移. 利用该方法得到的离子的转移式电位和Gibbs转移能与用四电极系统和其他方法所测定的结果相接近.     

纳米碳管电极上氧的电催化还原

以聚四氟乙烯为粘结剂制成了多壁纳米碳管（MWNT）电极.采用恒电位阶跃法和循环伏安法研究了MWNT电极在碱性溶液中的电化学行为，并对碱性溶液中溶解氧在该电极上的电化学还原行为进行了研究.实验结果表明： MWNT电极具有比石墨电极更高的孔隙率和电化学表面积；MWNT电极上O2还原成的反应为准可逆过程；在5～50 mV•s－1的扫描速率范围内，阴极峰电流与扫描速度成线性关系，表明MWNT电极上O2还原成的反应受吸附控制；对碱性溶液中的氧还原反应， MWNT比石墨具有更高的催化活性.     

双酚A在硼掺杂金刚石薄膜电极上的电化学行为研究

硼掺杂金刚石(BDD)薄膜电极是用于废水处理的理想电极材料。利用循环伏安法和电化学阻抗谱研究了环境激素双酚A(BPA)在BDD电极上的电化学行为,分析在电极/溶液界面上的电化学过程及相关的电极动力学参数。研究发现BPA在电极上的直接电化学氧化过程为不可逆过程,氧化峰电势在1.4 V左右。电极/溶液界面的双电层结构可以用一个电容与一个电阻并联的等效电路来进行拟合,当极化电位从0.5 V增加至2.0 V时,电荷转移电阻Rct由7.043×104Ω·cm2降至1.366×103Ω·cm2,下降了80.60%,表明提高电极电位可明显降低电催化反应的电阻,有利于电催化氧化反应的进行,可提高电催化反应速率。     

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe~(2+)存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H_2O_2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。     

肌红蛋白在灿烂甲酚蓝修饰电极上的可逆电子传递反应

利用循环电位吸收法和电位阶跃计时吸收法在薄层电解池中研究了肌红蛋白在灿烂甲酚蓝(BCB)修饰电极上和BCB溶液中的电化学行为。实验表明肌红蛋白可以发生可逆的还原和氧化反应,完全还原和氧化分别需要20和100s, 氧化还原反应的标准速率常数被估算为5.6×10^-^4cm·s^-^1, 并且稳定性很好, 没有蛋白质变性反应发生。用光谱电化学方法测得该反应的标准电极电位和电子转移数与肌红蛋白相符。光电子能谱实验表明肌红蛋白没有吸附在BCB修饰电极上, 对BCB修饰电极促进肌红蛋白的电子转移机理作了初步探讨。     

金复合介孔SBA-15吸附血红蛋白在H2O2电催化反应中的应用

以P123嵌段共聚物表面活性剂为模板剂制备介孔氧化硅SBA-15,并用沉积-沉淀(DP)法在SBA-15介孔表面负载纳米Au颗粒制备得到金复合介孔SBA-15材料(Au-SBA-15).再以Au-SBA-15材料制备玻碳修饰电极,将血红蛋白固定于修饰电极上用循环伏安法考察其对不同浓度H2O2溶液的电催化反应.在固定了血红蛋白的Hb/Au-SBA-15/GC修饰电极上,H2O2在+0.95 V处出现了氧化峰,且随着H2O2浓度的增大峰电流不断增加,说明金复合介孔氧化硅材料具有良好的生物兼容性,有利于血红蛋白的固定,其修饰电极对H2O2溶液具有一定的电催化作用.     

蒽醌/聚吡咯复合膜修饰电极的电化学行为和电催化活性

在水溶液中制备了掺杂蒽醌磺酸盐(AQS)的聚吡咯(PPy)/玻碳复合膜修饰电极,采用循环伏安法和旋转圆盘电极技术研究了该修饰电极在不同pH值溶液中的电化学行为以及在pH=5.5的磷酸盐缓冲溶液中对氧还原反应的电催化性能和动力学.结果表明,与裸玻碳电极相比,PPy膜的存在不仅降低了AQS的反应电位和峰电位差,而且增大了其氧化还原反应的峰电流,H2AQ/HAQ-氧化还原对的电离常数为9.5.AQS/PPy膜修饰电极上氧的还原主要是两电子还原为H2O2的不可逆过程,H2AQ对氧还原反应起主要催化作用,还原过程符合异相氧化还原催化机理.该修饰电极具有良好的电化学重现性.     

2,2′-二氨基苯氧基二硫化物的电极过程动力学研究

利用循环伏安法、线性伏安法及旋转圆盘电极技术,研究了2,2′-二氨基苯氧基二硫化物(DAPOD)在含有0.1 mol·L-1LiClO4电解质的乙腈/四氢呋喃有机溶液中,铂、金、玻碳及石墨电极上的电化学行为.伏安结果表明DAPOD中的二硫键与硫巯基之间的氧化还原反应属动力学不可逆过程,这种在室温下表现出的电化学反应不可逆性是有机二硫化物普遍存在的不足,必须通过分子内或分子间的电催化来改善其可逆性能.旋转圆盘电极测试结果显示,DAPOD的阴极还原反应级数为0.5,阳极氧化反应级数为1.由此推知DAPOD电还原属两电子转移反应,分两步完成:第一步为平衡的化学反应步骤;第二步为电子转移步骤,属决速步.同时还测定了DAPOD的阴极与阳极传递系数、交换电流、平衡电势及标准速率常数等相关的动力学常数.通过比较铂、金、玻碳及石墨四种不同材料电极对DAPOD的电极过程的影响,发现石墨对DAPOD的还原过程具有电催化作用.     

2,2'-二氨基苯氧基二硫化物的电极过程动力学研究

利用循环伏安法、线性伏安法及旋转圆盘电极技术,研究了2,2'-二氨基苯氧基二硫化物(DAPOD)在含有0.1mol·L-1LiClO4电解质的乙腈/四氢呋喃有机溶液中,铂、金、玻碳及石墨电极上的电化学行为.伏安结果表明DAPOD中的二硫键与硫巯基之间的氧化还原反应属动力学不可逆过程,这种在室温下表现出的电化学反应不可逆性是有机二硫化物普遍存在的不足,必须通过分子内或分子间的电催化来改善其可逆性能.旋转圆盘电极测试结果显示,DAPOD的阴极还原反应级数为0.5,阳极氧化反应级数为1.由此推知DAPOD电还原属两电子转移反应,分两步完成:第一步为平衡的化学反应步骤;第二步为电子转移步骤,属决速步.同时还测定了DAPOD的阴极与阳极传递系数、交换电流、平衡电势及标准速率常数等相关的动力学常数.通过比较铂、金、玻碳及石墨四种不同材料电极对DAPOD的电极过程的影响,发现石墨对DAPOD的还原过程具有电催化作用.     

新型复合电极与偶氮染料分子的氧化降解反应的研究

介绍了具有合成H_2O_2和光催化性能的双功能型复合电极、双功能复合电极是 将TiO_2/C光催化剂负载在具有合成H_2O_2性能的新型载体上形成的。在光反应器 中,复合电极作阴极,钌-钛不溶性电极作阳极,低压汞灯作光源,实现了光化学 氧化与光催化氧化在同一电极/溶液界面上的联合作用。当反应器工作时,复合电 极中的TiO_2/C光催化层表面进行着光催化反应,在载体的三相界面上进行着O_2的 2电子H_2O_2的电化学反应,电流效率达82%（J = 15 mA/cm~2）,为·OH自由基的 生成提供了物质源,而且氧的2电子还原反应电位使其表面的TiO_2获得相对于平带 电位约+0.5 V的阳极偏压,改善了TiO_2的光催化活性。实验结果表明,复合电极 对提高偶氮染料分子活性艳红（K-2BP）的氧化降解速度起了重要作用。实验发现 偶氮染料分子在复合电极表面的吸附量与反应速度密切相关。文中讨论了复合电极 的作用原理及偶氮染料分子的氧化降解过程。     

超级电容器用中孔炭复合电极材料研究进展

超级电容器是一类利用电化学双电层或电极材料在电极/溶液界面发生的氧化还原反应来存储能量的装置,除兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的特点外,还具有可逆性好和循环寿命长等优点.本文重点介绍了近几年国内外对中孔炭材料、表面官能团修饰中孔炭材料、中孔炭-金属氧化物、中孔炭-导电聚合物等几类电极材料的研究现状;并且展望了超级电容器用中孔炭及其复合电极材料的当前研究热点和发展前景.     

化学修饰电极的研究进展

化学修饰电极(CME)自1975年问世以来发展很快,是当前电化学和电分析领域中公认的活跃研究方向。 CME的出现突破了以往电化学家所研究的范畴,把注意力转移到电极表面上来。通过化学的、物理化学的方法对电极表面进行修饰,在电极表面上造成了某种微结构,赋予电极预定的功能,可以有选择地在这种电极上进行所期望的反应,从而实现了电极功能设计。曾采用过多种快速电子转移剂,手征性活性中心,阴、阳离子交换剂。不同类型的配位体,光敏剂,混合价态化合物,生物物质以及各种酶类等功能团修饰