材料电化学基础

电化学原理与技术在现代生产中已应用于多个领域，如在化学电源、电催化和光电化学、金属材料腐蚀与防护、能源制备等领域得到了广泛的运用，对国民经济的发展起到了重要的促进作用。为适应国家对“新工科”建设的倡导，更加贴合材料电化学领域专业人才培养需求，特编制《材料电化学基础》一书。

全书共分为8章，第1章绪论简要介绍了电化学科学的发展、组成体系和应用范围；第2、3章系统介绍了电化学的基本原理，包括电极界面双电层结构及电位，以及电极过程动力学基础；第4、5和6章主要介绍了电化学原理在化学电源、电催化和光电化学中的应用；第7章介绍了金属在不同环境中的典型腐蚀现象以及电化学保护；第8章则介绍了各种电化学测试方法，包括极化曲线、电化学阻抗谱、电化学噪声等常规测试技术及其在不同领域的应用，以及各种微区测试技术等。

本书第1、4、5、6章由邱萍编写，第2、3、7、8章由董玉华、张瑛编写。后统稿由邱萍、董玉华、张瑛共同完成。

本书承蒙陈长风教授的审阅，并提出宝贵意见，在此表示衷心感谢。本书的出版得到中国石油大学（北京）教改项目基金的资助，特此表示感谢。

限于水平和时间，书中不当之处在所难免，欢迎读者批评指正。

编者

2020年7月

《材料电化学基础》全书共分为8章，第1章绪论简要介绍了电化学科学的发展、组成体系和应用范围；第2、3章系统介绍了电化学的基本原理，包括电极界面双电层结构及电位，以及电极过程动力学基础；第4、5和6章主要介绍了电化学原理在化学电源、电催化和光电化学中的应用；第7章介绍了金属在不同环境中的典型腐蚀现象以及电化学保护；第8章则介绍了各种电化学测试方法，包括极化曲线、电化学阻抗谱、电化学噪声等常规测试技术及其在不同领域的应用，以及各种微区测试技术等。

《材料电化学基础》可作为高等学校材料科学与工程、材料腐蚀与防护专业、化工专业、油气储运专业的教材使用，也可供相关专业的工程技术人员参考。

第1章绪论1

1.1电化学科学1

1.2电化学的应用3

1.2.1环境净化3

1.2.2氢的有效使用3

1.2.3化学电源4

1.2.4电催化5

1.2.5太阳能转换5

1.2.6腐蚀与防护6

1.3电化学体系7

1.3.1电化学科学的研究对象7

1.3.2法拉第定律9

1.3.3阳极和阴极的定义9

第2章电极界面双电层结构及电位11

2.1相间电位11

2.1.1金属接触电位13

2.1.2电极电位13

2.1.3电位和相对电位15

2.1.4液体接界电位18

2.2电极电位20

2.2.1自由能的变化20

2.2.2能斯特方程和半电池电位的计算21

2.2.3平衡电极电位22

2.2.4不可逆电极26

2.2.5可逆电极电位与不可逆电极电位的判别27

2.2.6氧电极和充气差异电池28

2.2.7影响电极电位的因素29

2.3双电层形成及结构31

2.3.1研究电极/溶液界面性质的意义31

2.3.2理想极化电极31

2.3.3电极/溶液界面的基本结构32

2.3.4斯特恩模型34

2.3.5紧密层的结构38

第3章电极过程动力学基础42

3.1电极过程与速度控制步骤42

3.2极化及其产生原因43

3.2.1极化43

3.2.2极化产生的原因44

3.3浓差极化动力学方程46

3.3.1浓差极化的规律47

3.3.2浓差极化的判别方法49

3.4稳态电化学极化动力学方程50

3.4.1极化较大的电极过程52

3.4.2极化很小的电极过程52

第4章化学电源54

4.1化学电池的基本性能参数54

4.2一次电池62

4.2.1锰干电池63

4.2.2碱锰电池64

4.3二次电池66

4.3.1铅酸蓄电池66

4.3.2碱性蓄电池67

4.3.3镍-金属氢化物电池70

4.4超级电容器72

4.4.1超级电容器的电荷储存原理72

4.4.2超级电容器电极材料73

第5章电催化81

5.1电催化物理化学基础82

5.1.1金属的电子能带结构82

5.1.2吸附质与金属表面的相互作用85

5.2电催化反应的基本规律88

5.3电催化剂的电子结构效应和表面结构效应90

5.3.1电子结构效应对电催化反应速度的影响91

5.3.2表面结构效应对电催化反应速度的影响93

5.4氢电极反应及其电催化概述96

5.5铂基催化剂上的氧还原电催化概述98

第6章光电化学100

6.1半导体的能带结构100

6.1.1半导体中的能带结构及载流子种类100

6.1.2本征半导体、施主、受主，N型和P型半导体101

6.1.3半导体中的态密度与载流子的分布102

6.2金属/半导体界面的能带结构与性质104

6.2.1金属/半导体界面的能带结构104

6.2.2光照下金属/半导体界面性质105

6.2.3暗态下金属/半导体界面性质106

6.3半导体/溶液界面的结构与性质107

6.3.1半导体/溶液界面的结构107

6.3.2空间电荷层的不同表现形式108

6.3.3半导体/溶液界面的电位分布110

6.4半导体/溶液界面上的光电化学114

6.4.1光照条件下半导体/溶液界面的能带结构114

6.4.2光电压和光电流115

6.5光电化学伏打电池115

6.6光电化学水解制氢116

6.7光电化学阴极保护118

第7章材料的电化学腐蚀与防护122

7.1电化学保护技术122

7.1.1阴极保护原理122

7.1.2阴极保护主要参数123

7.1.3阴极保护的实施124

7.2采油及集输系统的典型腐蚀127

7.2.1腐蚀环境127

7.2.2硫化氢腐蚀128

7.2.3二氧化碳腐蚀133

7.2.4硫化氢/二氧化碳混合体系的腐蚀137

7.2.5超临界CO2腐蚀139

7.3滩海及海洋油气田中钢铁设备的典型腐蚀141

7.3.1腐蚀环境141

7.3.2滩涂区腐蚀141

7.3.3海洋大气区腐蚀141

7.3.4浪花飞溅区腐蚀142

7.3.5海水潮汐区腐蚀142

7.3.6海水全浸区腐蚀143

7.3.7海底泥土区腐蚀143

7.3.8海水腐蚀144

7.4炼油设备的典型腐蚀144

7.4.1原油中的腐蚀介质145

7.4.2硫酸露点腐蚀146

第8章电化学测试方法148

8.1稳态极化曲线的测定148

8.1.1稳态法的特点148

8.1.2稳态极化测量的分类149

8.1.3测试系统149

8.1.4稳态极化测量在腐蚀电化学研究中的应用151

8.2暂态测量技术152

8.2.1暂态法的特点152

8.2.2暂态测量技术的分类152

8.3交流阻抗测试技术157

8.3.1阻抗与导纳157

8.3.2电化学阻抗谱的电学元件及等效电路158

8.3.3等效电路的优缺点161

8.3.4电化学阻抗谱的测量及数据处理162

8.3.5电化学阻抗谱在腐蚀科学中的应用163

8.4电化学噪声分析技术178

8.4.1电化学噪声的特点178

8.4.2电化学噪声测试原理179

8.4.3电化学噪声测试技术183

8.4.4电化学噪声测试应用184

8.5微区电化学测试技术184

8.5.1扫描振动电极技术185

8.5.2扫描开尔文探针测量技术186

8.5.3微区电化学阻抗技术187

8.5.4扫描电化学显微镜技术188

参考文献190

《材料电化学基础》全书共分为8章，第1章绪论简要介绍了电化学科学的发展、组成体系和应用范围；第2、3章系统介绍了电化学的基本原理，包括电极界面双电层结构及电位，以及电极过程动力学基础；第4、5和6章主要介绍了电化学原理在化学电源、电催化和光电化学中的应用；第7章介绍了金属在不同环境中的典型腐蚀现象以及电化学保护；第8章则介绍了各种电化学测试方法，包括极化曲线、电化学阻抗谱、电化学噪声等常规测试技术及其在不同领域的应用，以及各种微区测试技术等。

《材料电化学基础》可作为高等学校材料科学与工程、材料腐蚀与防护专业、化工专业、油气储运专业的教材使用，也可供相关专业的工程技术人员参考。