气体电极过程.pptx

第第1节节 研究气体电极过程的重要意义研究气体电极过程的重要意义第第2节节 氢的阴极过程氢的阴极过程第第3节节 氢的阳极过程氢的阳极过程第第4节节 研究氧电极过程存在的困难研究氧电极过程存在的困难第第6节节 氧的阴极还原氧的阴极还原第第5节节 氧的阳极析出反应氧的阳极析出反应第1页/共74页第第1节节 研究气体电极过程的重要意义研究气体电极过程的重要意义一、一、标准氢电极标准氢电极规定：“标准氢电极”的电极电势为零。第2页/共74页二、二、在工业上的应用在工业上的应用(1)(1)电解食盐水（氯碱工业）：电解食盐水（氯碱工业）：制取氢气、氯气、氢氧化钠制取氢气、氯气、氢氧化钠(2)(2)电解水：电解水：制取氢气、氧气制取氢气、氧气2、电池工、电池工业业燃料电池：氢氧燃料电池燃料电池：氢氧燃料电池锌空气电池、铝空气电池锌空气电池、铝空气电池1、电解工业、电解工业第3页/共74页氢气在阴极上的析出是不可避免的副反应。氢气在阴极上的析出是不可避免的副反应。氧气在阳极上的析出是主要反应或不可避免的副反应。氧气在阳极上的析出是主要反应或不可避免的副反应。三、三、水溶液中的电镀水溶液中的电镀第4页/共74页四、四、金属的腐蚀过程金属的腐蚀过程析氢腐蚀析氢腐蚀吸氧腐蚀吸氧腐蚀当介质的酸性较大，如在酸性土壤中(pH4)、钢铁酸洗时，阴极主要析出氢气。腐蚀电池的反应为:阴极：2H+(aq)+2e=H2(g)阳极：Fe 2e=Fe2+Fe2+OH2e2H+H2杂质析氢腐蚀析氢腐蚀第5页/共74页钢铁在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀 反应式如下:阳极阳极:2Fe 4e=2Fe2+阴极阴极:O2+2H2O+4e=4OH 2Fe2+4OH=2Fe(OH)2 吸氧腐蚀吸氧腐蚀五、五、生物体细胞内发生氧的还原过程生物体细胞内发生氧的还原过程第6页/共74页第第2节节 氢电极的阴极过程氢电极的阴极过程一、一、氢离子在阴极上的还原过程氢离子在阴极上的还原过程1 1、液相传质步骤、液相传质步骤2 2、电化学反应步骤、电化学反应步骤Volmer反应反应第7页/共74页3 3、随后转化步骤、随后转化步骤（1）复合脱附）复合脱附Tafel反应反应（2）电化学脱附）电化学脱附Heyrovsky反应反应4 4、新相生成步骤、新相生成步骤第8页/共74页几种可能的反应机理几种可能的反应机理（1）电化学反应步骤（快）+复合脱附（慢）迟缓复合机理迟缓复合机理（2）电化学反应步骤（慢）+复合脱附（快）迟缓放电机理迟缓放电机理（3）电化学反应步骤（快）+电化学脱附（慢）电化学脱附机理电化学脱附机理（4）电化学反应步骤（慢）+电化学脱附（快）迟缓放电机理迟缓放电机理第9页/共74页定义定义：在某一电流密度下，氢实际：在某一电流密度下，氢实际析出的电位与氢的平衡电位的差值析出的电位与氢的平衡电位的差值，叫做在该电流密度下的析氢过电，叫做在该电流密度下的析氢过电位。位。二、析氢过电位及其影响因素二、析氢过电位及其影响因素第10页/共74页氢离子阴极还原过程服从氢离子阴极还原过程服从 Tafel 公式公式影响析氢过电位的因素影响析氢过电位的因素（1）金属材料本性的影响）金属材料本性的影响第11页/共74页一些金属上氢阴极析出时塔菲尔公式中常数一些金属上氢阴极析出时塔菲尔公式中常数a和和b值值(t=200.2)第12页/共74页第13页/共74页（2）金属表面状态的影响）金属表面状态的影响一般粗糙金属表面析氢过电位比光滑金属表面一般粗糙金属表面析氢过电位比光滑金属表面析氢过电位低。析氢过电位低。（3）溶液组成的影响）溶液组成的影响pH值变化的影响值变化的影响添加剂的影响添加剂的影响第14页/共74页在不同浓度的盐酸溶液中，在不同浓度的盐酸溶液中，Hg上的析氢过电位与电流密上的析氢过电位与电流密度之间的关系度之间的关系pH值变化的影响值变化的影响第15页/共74页有局外电解质存在而电解质溶液总浓度不变有局外电解质存在而电解质溶液总浓度不变时时pH值对析氢过电位的影响值对析氢过电位的影响 pH7：pH增大增大1，析氢过电位减小约析氢过电位减小约59mV；电解质总浓度为电解质总浓度为0.3mol/L，I=10-4A/cm2时，时，Hg上析氢过电位与上析氢过电位与pH值之间的关系值之间的关系第16页/共74页添加剂的影响添加剂的影响某些金属离子的影响某些金属离子的影响表面活性物质的影响表面活性物质的影响有机酸己酸分子对有机酸己酸分子对Hg上析氢过电位的影响上析氢过电位的影响第17页/共74页卤素阴离子对卤素阴离子对Hg上析氢过电位的影上析氢过电位的影响响第18页/共74页表面活性阳离子四烷基铵阳离子对表面活性阳离子四烷基铵阳离子对Hg上析氢过电位的影上析氢过电位的影响响第19页/共74页温度对温度对Hg在在0.25 mol/L H2SO4溶液中析氢过电位的溶液中析氢过电位的影响影响（4）温度的影响）温度的影响第20页/共74页迟缓放电理论迟缓放电理论控制步骤为电化学反应步骤控制步骤为电化学反应步骤迟缓复合理论迟缓复合理论控制步骤为复合步骤控制步骤为复合步骤电化学脱附理论电化学脱附理论控制步骤为电化学脱附步骤控制步骤为电化学脱附步骤三、析氢反应过程的机理三、析氢反应过程的机理第21页/共74页（1）基本观点：基本观点：控制步骤为：控制步骤为：析氢过电位由电化学极化而产生。析氢过电位由电化学极化而产生。1、迟缓放电机理、迟缓放电机理在在Hg电极上氢析出为例电极上氢析出为例第22页/共74页（2）理论推导：极化曲线斜率的分析）理论推导：极化曲线斜率的分析若电子转移为控制步骤，从理论上知若电子转移为控制步骤，从理论上知 与大量的实验事实相符，该机理成立与大量的实验事实相符，该机理成立一般一般 则可估算在则可估算在 25，n=1时：时：第23页/共74页（1）基本观点：基本观点：控制步骤为：控制步骤为：2、迟缓复合机理、迟缓复合机理在在Hg电极上氢析出为例电极上氢析出为例处于平衡状态处于平衡状态第24页/共74页（2）理论推导：极化曲线斜率的分析）理论推导：极化曲线斜率的分析若复合脱附为控制步骤，从理论上知若复合脱附为控制步骤，从理论上知与大量的实验事实不相符，该机理不成立与大量的实验事实不相符，该机理不成立在在 25时：时：第25页/共74页平衡电位下，电极上吸附氢的表面覆盖度有电流通过时，电极上吸附氢的表面覆盖度由于汞电极上氢的吸附覆盖度很小，可以用 和 代替活度 和 电化学步骤处于平衡状态，可用Nernst方程无电流通过，有电流通过，则析氢过电位第26页/共74页 当Ici0，阴极极化较大，可以略去逆反应不计，即净反应电流密度=还原电流密度，并且考虑到氢原子的复合反应是双原子反应。对上式取对数代入上式第27页/共74页第28页/共74页（1）基本观点：基本观点：控制步骤为：控制步骤为：3、电化学脱附机理、电化学脱附机理在在Hg电极上氢析出为例电极上氢析出为例处于平衡状态处于平衡状态第29页/共74页（2）理论推导：极化曲线斜率的分析）理论推导：极化曲线斜率的分析若电化学脱附为控制步骤，从理论上知若电化学脱附为控制步骤，从理论上知与大量的实验事实不相符，该机理不成立与大量的实验事实不相符，该机理不成立在在 25时：时：第30页/共74页吸附氢原子的浓度或活度可以用氢离子的浓度受表面电场的影响对上式取对数第31页/共74页第32页/共74页4、迟缓放电机理的实验依据、迟缓放电机理的实验依据电解质总浓度为电解质总浓度为0.3mol/L，j=10-4A/cm2时，时，Hg上析氢过电位与上析氢过电位与pH值之间的关系值之间的关系第33页/共74页在酸性溶液中，在酸性溶液中，H+e=1/2H2，pH7时，时，co=cH2O，cH2O=常数，常数，H2O为中性分子，为中性分子，氧化态物质氧化态物质H2O的价数的价数zo=0当当Ic不变，不变，不变不变则可以得到则可以得到 变化仅于变化仅于 的变化有关的变化有关第36页/共74页在在 25时时pH增大增大1，析氢过电位减少约，析氢过电位减少约59mV第37页/共74页在不同浓度的盐酸溶液中，在不同浓度的盐酸溶液中，Hg上的析氢过电位与电流密上的析氢过电位与电流密度之间的关系度之间的关系第38页/共74页当酸的浓度很稀时当酸的浓度很稀时，必须考虑，必须考虑 效应效应当当Ic不变，不变，的大小取决于上式中右侧第的大小取决于上式中右侧第2项和第项和第4项，项，即取决于即取决于 和和 的变化的变化根据双电层方程式，当电极表面带负电时，根据双电层方程式，当电极表面带负电时，上述第上述第2项和第项和第4项同步变化，互相抵消，因此浓度很稀时，在项同步变化，互相抵消，因此浓度很稀时，在酸的浓度变化时，析氢过电位不会随之而变化。酸的浓度变化时，析氢过电位不会随之而变化。从第从第2项上看项上看从第从第4项上看项上看第39页/共74页当酸的浓度较高时，当酸的浓度较高时，随着酸浓度的增大，析氢过电位降低。随着酸浓度的增大，析氢过电位降低。原因：浓度大可以不再考虑原因：浓度大可以不再考虑 效应。效应。当当Ic不变，只有第不变，只有第2项影响项影响第40页/共74页卤素阴离子对卤素阴离子对Hg上析氢过电位的影上析氢过电位的影响响第41页/共74页当有表面活性阴离子吸附时，当有表面活性阴离子吸附时，向负的方向变化，向负的方向变化，从而使从而使 降低。吸附离子在一定电位下脱附，则它降低。吸附离子在一定电位下脱附，则它对过电位的影响就消失了对过电位的影响就消失了第42页/共74页表面活性阳离子对表面活性阳离子对Hg上析氢过电位的影上析氢过电位的影响响第43页/共74页当有表面活性阳离子吸附时，当有表面活性阳离子吸附时，向正的方向变化，向正的方向变化，从而使从而使 升高升高第44页/共74页 迟缓放电理论必须满足以下两个条件才适用：迟缓放电理论必须满足以下两个条件才适用：均匀表面均匀表面吸附氢原子表面覆盖度小的高过电位金属吸附氢原子表面覆盖度小的高过电位金属5、迟缓放电机理的适用范围、迟缓放电机理的适用范围第45页/共74页控制步骤为：控制步骤为：（1）复合脱附机理）复合脱附机理在中低析氢过电位金属电极上氢析出为例在中低析氢过电位金属电极上氢析出为例对于中低析氢过电位金属对于中低析氢过电位金属不是阳极传递系数，而是一个校正系数（不是阳极传递系数，而是一个校正系数（0 1）6、其他机理、其他机理第46页/共74页对上式取对数第47页/共74页控制步骤为：控制步骤为：（2）电化学脱附机理）电化学脱附机理在中低析氢过电位金属电极上氢析出为例在中低析氢过电位金属电极上氢析出为例对于中低析氢过电位金属对于中低析氢过电位金属不是阳极传递系数，而是一个校正系数（不是阳极传递系数，而是一个校正系数（0 1）第48页/共74页第49页/共74页中低析氢过电位金属上的一些实验现中低析氢过电位金属上的一些实验现象象（1）在Ni电极上，当切断阴极极化电流后，只有经过相当长的一段时间后，其电位才能恢复到平衡电位的数值，即电极电位变化的速度相当缓慢。（2）氢脆现象（3）若利用金属Pd或Fe作为薄膜电极，并使薄膜电极两侧分别与不相连的电解液相接触，当在薄膜电极的一侧进行阴极极化后，该电极另一侧的电极电位也不断地向负方向移动。第50页/共74页影响中低析氢过电位金属上析氢反影响中低析氢过电位金属上析氢反应机理的因素应机理的因素（1）不同金属电极上会出现不同机理。（2）同一金属，由于金属表面状态、表面不均匀性等影响，则不同位置处的反应机理不同。（3）当极化大小不同时，机理也可能不同。第51页/共74页第第3节节 氢电极的阳极过程氢电极的阳极过程在酸性、中性溶液中：在酸性、中性溶液中：H2-2e=2H+，一般只有一般只有Pt、Pd、Rh、Ir等贵金属可等贵金属可作为氢的依附金属作为氢的依附金属在碱性溶液中：在碱性溶液中：H2+2OH-2e=2H2O，一般除了一般除了Pt、Pd、Rh、Ir等贵金属，等贵金属，还有还有Ni可作为氢的依附金属可作为氢的依附金属第52页/共74页 光滑光滑Pt上的阳极反应历程上的阳极反应历程：（1）分子氢溶解于溶液中并向电极表面进行扩散传质；）分子氢溶解于溶液中并向电极表面进行扩散传质；（2）溶解的氢分子在电极表面上离解吸附行成吸附氢）溶解的氢分子在电极表面上离解吸附行成吸附氢原子原子 化学离解吸附化学离解吸附 电化学离解吸附电化学离解吸附（3）吸附氢原子电化学氧化）吸附氢原子电化学氧化（4）表面氢离子向溶液深处扩散）表面氢离子向溶液深处扩散氢阳极氧化基本步骤氢阳极氧化基本步骤eHMHHMHH+222第53页/共74页在在1mol/L H2SO4 中旋转铂电极上氢阳极过程的极化曲线中旋转铂电极上氢阳极过程的极化曲线第54页/共74页氢电极阳极极化曲线上极限电流密度随电极转速的变化氢电极阳极极化曲线上极限电流密度随电极转速的变化第55页/共74页光滑光滑Ni电极在电极在1mol/L NaOH 溶液中的阳极极化溶液中的阳极极化曲线曲线第56页/共74页1、第第4节节 研究氧电极过程存在的困难研究氧电极过程存在的困难反应历程复杂反应历程复杂2、氧电极过程可逆性差、氧电极过程可逆性差3、反应涉及电位较正，表面状态随电极电位的变、反应涉及电位较正，表面状态随电极电位的变化较大化较大4、各种金属的表面都会在一定程度上受到氧化，、各种金属的表面都会在一定程度上受到氧化，氧不是在金属上而是在金属氧化物上析出。氧不是在金属上而是在金属氧化物上析出。第57页/共74页酸性溶液中：酸性溶液中：碱性溶液中：碱性溶液中：第第5节节 氧电极的阳极氧化过程氧电极的阳极氧化过程一、氧的析出过程一、氧的析出过程硫酸溶液中硫酸溶液中第58页/共74页在给定电流密度不变时，析氧过电位也随时间而变；在给定电流密度不变时，析氧过电位也随时间而变；析氧过电位与电流的关系基本遵从析氧过电位与电流的关系基本遵从Tafel 方程方程 a、b均与材料、溶液、电极表面状态、温度等因均与材料、溶液、电极表面状态、温度等因素有关。素有关。二、氧过电位二、氧过电位第59页/共74页三、氧电极阳极过程的可能机理三、氧电极阳极过程的可能机理在碱性溶液中析氧的某些可能的历程在碱性溶液中析氧的某些可能的历程第60页/共74页氧在镍上析出的半对数阳极极化曲线氧在镍上析出的半对数阳极极化曲线第61页/共74页 基本历程按反应产物可分为两类：基本历程按反应产物可分为两类：中间产物为中间产物为 或或 中间产物为中间产物为 或表面氧化物或表面氧化物 第第6节节 氧电极的阴极还原过程氧电极的阴极还原过程一、氧阴极还原反应的基本历程一、氧阴极还原反应的基本历程第62页/共74页在酸性或中性溶液中：在酸性或中性溶液中：1 1、中间产物为中间产物为H2O2或或HO2-的基本历程的基本历程 第63页/共74页在碱性溶液中：在碱性溶液中：第64页/共74页酸性溶液中碱性溶液中2 2、中间产物为中间产物为MO或表面氧化物的基本历程或表面氧化物的基本历程中间产物为中间产物为MO中间产物为表面氢氧化物中间产物为表面氢氧化物第65页/共74页在含氧的在含氧的KCl溶液中，氧汞上的还原极谱溶液中，氧汞上的还原极谱波波二、氧在汞表面上阴极还原的反应历程二、氧在汞表面上阴极还原的反应历程第66页/共74页控制步骤控制步骤平衡状态平衡状态第67页/共74页控制步骤控制步骤平衡状态平衡状态第68页/共74页 1、用镍作阴极电解0.5mol/L H2SO4水溶液，当20，电极电位为-0.479V时，阴极电流密度与析氢过电位各为多少？已知在镍上析氢时的a值为0.63V，b值为0.11V。课堂练习题：课堂练习题：第69页/共74页 2、25时，用钛板作阴极分别在pH=3和pH=5的钛盐溶液中，以恒定的电流密度电解析氢。问在两种溶液中钛上的析氢过电位相差多少伏？假设两种溶液的总浓度相同，电位相同，均为0.48。第70页/共74页 3、在盐酸溶液中，当铂电极上析氢速度为510-3A/cm2和3.210-2A/cm2时，如果i0=110-4A/cm2，=0.5。求两者的过电位各是多少？第71页/共74页 4、已知氧在Ir电极上析出的反应历程中，有少量吸附在电极上的中间产物OH和O形成。电极过程可分为以下几个步骤：H2O=OH+H+e (A)OH=O+H+e (B)2O=O2 (C)在较低过电位区内，实验测得塔菲尔公式中的b值为 。试证明步骤（B）是速度控制步骤。第72页/共74页 5、实验测得25时，pH=1的酸性水溶液中，氢在某金属上析出的极化曲线符合塔菲尔关系，且a值为0.7V，b值为0.128V。计算该电极反应的交换电流密度和外电流密度为1mA/cm2时的极化电位。第73页/共74页感谢您的观看。第74页/共74页