電催化原理及應(yīng)用PPT課件

1、2.電化學(xué)催化原理3.電催化特點1.引言4.電催化電極5.影響電催化的因素6.電催化的前景第1頁/共23頁許多化學(xué)反應(yīng)盡管在熱力學(xué)上是可行的，但由于反應(yīng)速度太小而沒有實際意義。為了使這類反應(yīng)具有使用價值，就需要引入催化反應(yīng)和催化劑，以降低總反應(yīng)的活化能、提高反應(yīng)速率。-化學(xué)催化因此而誕生。第2頁/共23頁常規(guī)催化作用機理第3頁/共23頁光合作用中酶參與的催化作用酶的催化作用過程第4頁/共23頁1.機理：降低反應(yīng)的活化能。2.需要催化劑的參與。3.催化改變化學(xué)反應(yīng)速率而不影響化學(xué)平衡的作用。4.本質(zhì)上是一種化學(xué)作用。5.反應(yīng)前后催化劑的量和質(zhì)均不發(fā)生改變的反應(yīng)。6.常規(guī)催化的關(guān)鍵是催化劑。第5頁

2、/共23頁電催化的定義在電場作用下電極表面或液相中的物質(zhì)促進(jìn)或抑制電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而電極表面或溶液中物質(zhì)本身并不發(fā)生變化的化學(xué)作用。選用合適的電極材料，以加速電極反應(yīng)的作用。所選用的電極材料在通電過程中具有催化劑的作用，從而改變電極反應(yīng)速率或反應(yīng)方向，而其本身并不發(fā)生質(zhì)的變化。第6頁/共23頁與常規(guī)的催化化學(xué)相比1.在常規(guī)的化學(xué)催化中，反應(yīng)物和催化劑的電子轉(zhuǎn)移是在限定區(qū)域進(jìn)行的，因此，在反應(yīng)過程中既不能從外電路導(dǎo)入電子也不能從反應(yīng)體系導(dǎo)出電子。在電極催化反應(yīng)中有純電子的轉(zhuǎn)移，電極作為反應(yīng)的催化劑，既是反應(yīng)的場所，又是電子的供受場所。2.常規(guī)的化學(xué)催化電子的轉(zhuǎn)移催化無法從外部加以控制，

3、而電催化可以利用外部回路控制電流，從而控制反應(yīng)。電催化特點第7頁/共23頁電催化作用覆蓋著電極反應(yīng)和催化作用兩個方面，因此電催化劑必需同時具有這兩種功能：能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；能對底物進(jìn)行有效的催化活化作用。能導(dǎo)電的材料并不都具有對底物的活化作用，反之亦然。第8頁/共23頁電催化電極電極-是指與電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，它既是電子貯存器，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的輸入或輸出，又是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所。電催化電極-首先是一個電子導(dǎo)體，其次要具有催化功能。即對電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。第9頁/共23頁催化電極組成和結(jié)構(gòu)1. 基礎(chǔ)電極 所謂基礎(chǔ)電極，也叫電極基質(zhì)，是指具有一定強度、能夠

4、承載催化層的一類物質(zhì)。一般采用貴金屬電極和碳電極。基礎(chǔ)電極無電催化活性，只承擔(dān)著作為電子載體的功能。 高的機械強度、良好的導(dǎo)電性和與電催化組成具有一定的親和性是對基礎(chǔ)電極基本的要求。第10頁/共23頁2. 表面材料 目前已知電催化電極表面材料主要涉及過渡金屬及半導(dǎo)體化合物。它們的共同作用就是降低復(fù)雜反應(yīng)的活化能，達(dá)到電催化的目的。而半導(dǎo)體的特殊能帶結(jié)構(gòu)使產(chǎn)物不易被吸附在電極表面，所以氧化速率還要高于一般電極。 電極對催化材料的要求有：反應(yīng)表面積要大；有較好的導(dǎo)電能力；吸附選擇性強；在使用環(huán)境下的長期穩(wěn)定性；盡量避免氣泡的產(chǎn)生；機械性能好；資源豐富且成本低；環(huán)境友好。第11頁/共23頁3. 載體

5、 基礎(chǔ)電極與電催化涂層有時親和力不夠，致使電催化涂層易脫落，嚴(yán)重影響電極壽命。所謂電催化電極的載體就是一類起到將催化物質(zhì)固定在電極表面，且維持一定強度的一類物質(zhì)。4. 電極表面結(jié)構(gòu) 電催化電極的表面微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)也是影響電催化性能的重要因素之一。而電極的制備方法直接影響到電極的表面結(jié)構(gòu)。無論是提高催化活性還是提高孔積率，改善傳質(zhì)、改進(jìn)電極表面微觀結(jié)構(gòu)都是一個重要手段，因而電極的制備工藝絕對是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。 第12頁/共23頁第13頁/共23頁催化電極的材料1. 金屬電極 金屬電極是指以金屬作為電極反應(yīng)界面的裸露。電極，除堿金屬和堿土金屬外，大多數(shù)金屬作為電化學(xué)電極均有很多研究報道，特別是

6、氫電極反應(yīng)。2. 碳素電極3. 金屬氧化物電極 導(dǎo)電金屬氧化物電極具有重要的電催化特性，這類電極大多為半導(dǎo)體材料，實際上對這類材料性質(zhì)的研究是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)建立的。第14頁/共23頁4. 非金屬化合物電極 一般所說的非金屬電極是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金屬材料作為電極材料，最大的優(yōu)勢在于這類材料的特殊物理性質(zhì)，如高熔點、高硬度、高耐磨性、良好的腐蝕性以及類似金屬的性質(zhì)等。第15頁/共23頁催化電極的特性電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟”的地位，電催化特性是電化學(xué)處理技術(shù)用電極的核心內(nèi)容。我們既希望電極對所要處理的有機物表現(xiàn)出高的反應(yīng)速率，又要有好的選擇性。 催化電極的

7、功能：既能導(dǎo)電，又能對反應(yīng)物進(jìn)行活化，提高電子的轉(zhuǎn)移速率，對電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。因此，良好的電催化電極應(yīng)該具備下列幾項性能：第16頁/共23頁1. 良好的導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電性，至少與導(dǎo)電材料（例如石墨、銀，至少與導(dǎo)電材料（例如石墨、銀粉）結(jié)合后能為電子交換反應(yīng)提供不引起嚴(yán)重電壓粉）結(jié)合后能為電子交換反應(yīng)提供不引起嚴(yán)重電壓降的電子通道，即電極材料的電阻不能太大；降的電子通道，即電極材料的電阻不能太大；2. 高的催化活性高的催化活性，即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的催化反應(yīng)，即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的催化反應(yīng)，抑制不需要或有害的副反應(yīng)；抑制不需要或有害的副反應(yīng)；3. 良好的穩(wěn)定性良好的穩(wěn)定性，即能夠耐受雜質(zhì)及中

8、間產(chǎn)物的作，即能夠耐受雜質(zhì)及中間產(chǎn)物的作用而不致較快地被污染或中毒而失活，并且在實現(xiàn)用而不致較快地被污染或中毒而失活，并且在實現(xiàn)催化反應(yīng)的電勢范圍內(nèi)催化表面不至于因電化學(xué)反催化反應(yīng)的電勢范圍內(nèi)催化表面不至于因電化學(xué)反應(yīng)而過早失去催化活性，此外還包括良好的機械物應(yīng)而過早失去催化活性，此外還包括良好的機械物理性質(zhì)，表面層不脫落、不溶解。理性質(zhì)，表面層不脫落、不溶解。第17頁/共23頁影響電催化的因素影響處理效果的的主要因素可分四個方面，即電極材料電極材料、電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液、廢水的理化性質(zhì)廢水的理化性質(zhì)和工藝因素工藝因素(電化學(xué)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)電流密度、通電量等) 。其中，電極材料是近年研究的重點。

9、第18頁/共23頁1. 電極材料電極材料 在電解法處理有機廢水的過程中，電極不僅在電解法處理有機廢水的過程中，電極不僅起著傳送電流的作用，而且對有機物的氧化降解起著傳送電流的作用，而且對有機物的氧化降解起催化作用，電極材料選擇的好壞，直接影響有起催化作用，電極材料選擇的好壞，直接影響有機物降解效率的高低。電解過程主要是通過陽極機物降解效率的高低。電解過程主要是通過陽極反應(yīng)來降解有機物的，而且電位越高，有機物的反應(yīng)來降解有機物的，而且電位越高，有機物的脫除效果越明顯。但電位過高會受到陽極材質(zhì)腐脫除效果越明顯。但電位過高會受到陽極材質(zhì)腐蝕和多種副反應(yīng)的制約，主要競爭副反應(yīng)是陽極蝕和多種副反應(yīng)的制約

10、，主要競爭副反應(yīng)是陽極氧氣的析出，因此催化電極應(yīng)具有較高的析氧超氧氣的析出，因此催化電極應(yīng)具有較高的析氧超電勢電勢。第19頁/共23頁2. 電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液 電解質(zhì)溶液對有機物的電化學(xué)催化氧化的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:（1）電解質(zhì)溶液的濃度（2）電解質(zhì)的種類。3. 廢水的理化性質(zhì)廢水的理化性質(zhì) 同一電極對不同有機物表現(xiàn)出不同的電催化氧化效率。廢水體系的pH值等因素也常常會影響電極的電氧化效率。4. 工藝因素工藝因素 盡量設(shè)計需要設(shè)計時空效率高、能耗低的電化學(xué)反應(yīng)器。 第20頁/共23頁前景電催化電極不僅具有很好的節(jié)能、降耗作用, 而且在電化學(xué)水處理技術(shù)中起著極其重要作用, 特別是電化學(xué)水處理技術(shù)對有機物具有特殊的降解能力, 因而被水處理界寄予厚望, 具有非常廣闊的應(yīng)用前景,在環(huán)境保護(hù)中占有重要的位置。當(dāng)前, 新電極材料、膜、電解質(zhì)、