内容简介

为了配合国家的“2025智能制造”，做到科学技术的与时俱进，结合新技术的发展及多年来冶金电化学研究方法课程的教学实践编写了本教材。本书共10章，主要内容有：电解液和电极溶液界面结构和性质；电化学实验装置，包括电极和电解池；电化学稳态的概念及测量稳态极化曲线；交流阻抗方法；电化学暂态的研究方法，包括控制电流法和控制电位法；三角波扫描法；旋转电极；冶金电极反应机理；仪器原理及电化学的数学基础等。本书可作为冶金工程专业的研究生教材，也可供其他相关专业的教师、学生和工程技术人员参考。

前言概述

冶金电化学研究方法是一门古老的科学，有着悠久、光辉的历史。能源、环境等问题在世界范围内被大众广泛认识且越来越受到各国政府的重视，很多重要的能源体系和过程，如能量转化和存储、太阳能利用等，都属于电化学研究的范畴。因此，冶金电化学研究方法这门学科仍然可以迸发新的活力。当代电化学发展有三个特点：（1）研究的具体体系扩展范围增加。从局限于汞、固体金属和碳电极，扩大到许多新材料如氧化物、有机聚合物导体、半导体、固相嵌入型材料、酶、膜，并以各种分子、离子、基团对电极表面修饰，对其内部进行嵌入或掺杂，从水溶液介质扩大到有机溶剂、熔盐、固体电解质等非水介质，从常温常压扩大到高温高压超临界状态等极端条件。（2）处理方法和理论模型开始深入到分子水平。随着处理方法和理论模型的发展，现在已经能在微观状态模拟研究电化学过程，更直观地描述和观察电化学过程。计算机数学模拟技术和微机实时控制技术在电化学中的应用也正在迅速、广泛地开展。（3）实验手段和方法迅速提高创新。以电信号为激励和检测手段的传统电化学研究方法持续朝着提高检测灵敏度、适应各种极端条件以及各种新的数学处理的方向发展。与此同时，多种分子水平研究电化学体系的原位谱学电化学技术在突破电极溶液界面的特殊困难之后，迅速地创立和发展，非原位表面物理技术正得以充分的利用，并朝着力求如实地表征电化学体系的方向发展。具体研究内容包括电化学界面的微观结构、电化学界面吸附、电化学界面动力学、理论界面的电化学、电催化剂及催化原理、电催化分子水平设计及原理、光电化学、电池、燃料电池、金属电沉积及材料的电化学表面处理、腐蚀的电化学控制、材料的电化学制备。电化学稳态和瞬态技术已经相当成熟，传统电化学研究技术将仍然为电极过程动力学研究、电分析化学、电化学传感器研制及其他电化学检测技术的建立提供方法。这一领域的研究正朝着更加定量、微区、快速响应、高信噪比及高灵敏度等方向发展。当前开展的研究主要有电极边界层模型及传输理论、电化学中的计算机模拟技术和曲线拟合技术的通用软件包、微电极和超微电极技术及其理论、电化学噪声技术和电化学振荡技术及其理论、扫描电化学显微技术、电化学中微弱信号检测及处理技术、谱学电化学技术。为了配合国家的“2025智能制造”，做到科学技术的与时俱进，结合新技术的发展及多年来冶金电化学研究方法课程的教学实践编写了本教材。本教材可供冶金工程专业的本科生和研究生使用，也可供其他相关专业的教师、学生和工程技术人员参考。本书共10章，主要内容有：电解液和电极溶液界面的结构和性质；电化学实验装置，包括电极和电解池；电化学稳态的概念及测量稳态极化曲线；交流阻抗方法；电化学暂态的研究方法，包括控制电流法和控制电位法；三角波扫描法；旋转电极；冶金电极反应机理；仪器原理及电化学的数学基础等。为了方便使用，增加了课后习题部分。本书由刘国强教授编写了第1～5章，王明华副教授编写了第6～10章。在编写过程中参考了许多同行的参考文献，同时得到了东北大学冶金学院的大力支持，在此一并致谢！由于水平所限，不足之处敬请读者批评指正。

作者介绍

刘国强，教授，东北大学新能源电池研究所副所长，从事锂钠离子电池材料的研究，以第一作者发表SCI收录论文20余篇，论文被引用总次数为700余次。参加编写国外著作一部《LithiumIonBatteries-NewDevelopment》（Chapter4，LiNi0.5Mn1.5O4SpinelandItsDerivativesasCathodesforLi-IonBatteries），ISBN978-953-51-0077-5，Publisher:InTech。主编《先进锂离子电池材料》（科学出版社）一书，42.3万字。以第一发明人获得授权发明专利2项。王明华，东北大学冶金学院副教授，主要研究方向为粉煤灰制备分子筛和钙化钒渣相图研究，讲授课程：冶金测试技术、高纯金属制备、高等无机化学、电化学研究方法。培养硕士生10名，本科20名。目前横向课题1项，任负责人；973重大科研项目1项，为参加人。发表论文50余篇；出版教材2部。

目录

1 电极/溶液界面的结构和性质
1.1 理想不极化电极和理想极化电极
1.2 电毛细现象
1.3 零电荷电位
1.4 微分电容法
1.5 特性吸附
l.6 离子双电层结构
1.6.1 Helmhohz模型
1.6.2 Gouy和Chapman模型
1.6.3 Stern模型
1.6.4 Grahame和Bockris模型
1.7 金属与电解质溶液形成的双电层
1.8 双电层方程求解及讨论
复习思考题
2 电极与电解池
2.1 电极电位
2.2 电解池
2.2.1 三电极体系的电解池
2.2.2 电解池的设计原则
2.2.3 电极材料的选择
2.2.4 几种常用的电解池
2.3 研究电极
2.3.1 固体金属电极的预处理
2.3.2 固体电极的制备
2.4 辅助电极
2.5 参比电极
2.5.1 水溶液中常用的参比电极
2.5.2 熔盐参比电极
2.5.3 简易参比电极
2.6 盐桥
2.6.1 液体接界电位
2.6.2 盐桥
2.7 Luggin毛细管
2.7.1 Luggin毛细管降低溶液欧姆降的原因
2.7.2 Luggin毛细管的正确位置
复习思考题
3 稳态极化曲线
3.1 概述
3.1.1 稳态的概念
3.1.2 稳态体系的特点
3.2 稳态极化曲线及动力学方程
3.2.1 稳态极化曲线
3.2.2 电极过程与控制步骤
3.2.3 电极反应与交换电流
3.2.4 电化学极化方程式
3.2.5 浓差极化方程
3.2.6 电化学极化与浓差极化同时存在的极化曲线
3.2.7 稳态极化曲线测量方法分类
3.3 静态恒电位法与静态恒电流法测定稳态极化曲线
3.3.1 静态恒电位法
3.3.2 静态恒电流法
3.4 阶跃法测定稳态极化曲线
3.5 动电位法测定稳态极化曲线
3.5.1 控制电位扫描法
3.5.2 控制电流扫描法
3.6 稳态极化曲线的应用
3.6.1 用于研究C1-对镍阳极钝化的影响
3.6.2 测定电极过程的动力学参数
复习思考题
4 交流阻抗法
4.1 概述
4.2 电极的等效电路
4.2.1 等效电路
4.2.2 各元件的测量
4.2.3 有关复数的概念
4.2.4 电路的基本性质
4.3 电化学极化下的交流阻抗
4.3.1 电化学极化复数平面图
……
5 控制电流暂态法
6 控制电位暂态法
7 三角波电位扫描与极谱法
8 旋转电极
9 冶金电极反应机理的检测
10 数学基础及运算放大器
参考文献