中国学科发展战略·电化学

**章电化学学科概述 **节电化学学科的内涵与战略地位 一、电化学学科的内涵 电化学是研究电能与化学能和电能与物质之间相互转换及其规律的学科。电化学的起源可以追溯到两位意大利科学家——路易吉 加尔瓦尼（Luigi Galvani，1737—1798）和亚历山德罗 伏打（Alessandro Volta，1745—1827），他们分别于 1780年发现“生物电”现象和 1800年发明世界上首个可连续供电的化学电源“伏打电堆”（voltaic pile）。作为一门涉及氧化还原化学反应、具有广泛应用的学科，两百多年来，电化学学科为推动人类社会发展和世界文明进步做出了重要贡献。电化学*初被描述为“是化学的一部分，是研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”，后又被定义为“电化学就是研究带电界面上所发生现象的科学”。经典电化学的主要理论支柱是电化学热力学、界面双电层模型和电极过程动力学。电化学热力学适用于平衡电化学体系，电极过程动力学适用于非平衡电化学体系，双电层则为二者变化的桥梁。现代电化学又将统计力学和量子力学引入电化学的理论体系，开辟了在微观水平研究电化学的新领域。 电化学*早的研究对象是电池、电解、电镀过程，所以*初把电化学看作是研究电能与化学能相互转换的科学。但随着研究的深入，出现了电渗析、电泳涂装、化学镀、电化学腐蚀、电化学合成等新的研究对象，电化学的定义拓展为研究电子导体与离子导体形成的带电界面性质及其上所发生变化的科学。近年来，随着电化学理论的发展及其与各学科领域的交叉，出现了量子电化学、光电化学、固态电化学、纳米电化学、能源电化学、绿色合成电化学等许多新的研究领域，研究方法和理论模型开始深入到分子水平，建立和发展了在分子水平上检测电化学界面的电化学原位谱学技术。可以说，电化学已经发展成为控制离子导体、电子导体、半导体、量子半导体、介电体的本体及界面间荷电粒子状态与传输的科学。电化学的实验技术也成为表界面、能源、环境以及生物医学等领域的重要研究方法。 二、电化学学科在国家总体学科发展布局中的地位 电化学是化学学科的一个重要组成部分。随着对电化学的重新认识和不断发展，电化学在多个学科之间占有重要地位，并作为不同领域专家通力协作研究开创的多领域跨学科科学而展现出独特风格。传统上把电化学归属于物理化学的一个分支。当前，电化学不仅与无机化学、有机化学、分析化学和化学工程等学科密切相关，还渗透到环境科学、能源科学、生物科学和现代工业等领域。电化学逐渐发展成为横跨基础科学（理学）和应用科学（工程、技术）两大领域的重要学科。 三、电化学学科在推动其他学科和相关技术发展中的作用 电化学学科的发展非常迅速，与其他学科的联系越来越紧密，并不断与各学科前沿领域相结合，形成了众多交叉学科分支，如熔盐电化学、有机电化学、生物电化学、光电化学、界面电化学、固态电化学、腐蚀电化学、催化电化学、电分析化学、化学修饰电极、超微电极电化学、量子电化学、纳米电化学、谱学电化学等。这些分支学科都有各自的研究领域，但又都建立在电化学基础理论之上。 （一）经典应用领域 随着科技的进步，电化学的应用领域不断拓展，已广泛应用于化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、环保等各工程技术领域中。主要的经典应用领域包括如下几个方面。 1. 化学电源 化学电源含原电池、蓄电池及燃料电池，如锌锰电池、铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、金属锂及锂离子电池、空气电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、直接醇燃料电池等。化学电源是电化学研究的核心内容之一，主要涉及电化学的能源储存和转换，不仅可以是一种大规模能源的提供装置，同时也是易于携带的能源系统，因此在电气、信息、运输、通信、电力、航空航天、军事等与日常生活密切相关领域和国防领域中得到广泛的应用，尤其在自移动信息系统、绿色能源交通工具及可再生能源利用方面起到关键作用。 2. 表面处理及精饰 表面处理及精饰包括各种电镀、化学镀、阳极氧化、电泳涂装、电铸等。表面处理能为基体提供各种防护性、装饰性或功能性涂镀层，应用极其广泛。电镀可分为装饰 /功能性电镀（表面防护、修饰、功能材料等）及电子电镀，主要用于各种功能性镀层（导电性镀层、钎焊性镀层、信息载体镀层、电磁屏蔽镀层等），芯片制造、封装和集成。在当前国际竞争日趋激烈的电子信息产业微型化过程中，电子电镀是芯片制作、微机电系统等发展中的关键技术之一。 3. 电化学合成 电化学合成包括金属的电解提取与精炼（如电解精炼提纯锌、铜、银、金；电解熔融电解质制取铝、镁、钙、锂等轻金属）、电合成无机化合物和有机化合物（如氯碱工业、己二腈电合成，以及高锰酸钾、三碘甲烷、四乙基铅的电合成等），为绿色化学工业开辟了一个具有重要价值的领域。 4. 电解加工 电化学加工是在高电流密度下，于流动的电解液中，以被加工的金属工件作为阳极，利用阳极溶解原理进行金属加工的方法。与普通机械加工相比，此类电解切削、电解研磨等方法特别适合形状复杂的零件和硬质合金材料的加工。 5. 金属腐蚀与防护 金属腐蚀学中的大气腐蚀、海洋腐蚀、土壤腐蚀等都需要用电化学解释机理，由此催生了以金属腐蚀电极为研究对象的腐蚀电化学。金属腐蚀的方法与电化学密切相关，如采用缓蚀剂、防腐涂层、电化学阴极保护与阳极钝化等方法进行金属的电化学保护以及腐蚀监控传感技术等。 6. 电分析化学 电化学在分析化学中的应用历史悠久，从早期广泛应用的电导滴定、电位滴定、极谱法、pH计等发展到近些年的伏安法、离子选择电极、传感器等，大大丰富了仪器分析的内容和手段。 （二）代表性的新领域 随着世界各国对能源危机、环境保护与防治、生命起源与规律探究等新型研究领域的日益关注，全球经济、贸易、科技实力的竞争日趋激烈，电化学科学与能源科学、材料科学、环境科学、生命科学等紧密联系，不断涌现出一些与电化学交叉的新学科，发展出新的研究和应用领域。下面介绍几个代表性的新领域。 1. 新能源体系的开发和利用 利用半导体电极组成的光电化学电池将太阳能转变为电能或构成光解水制氢的光解池，成为太阳能利用的途径之一；可实现连续工作的燃料电池在建立小型发电站和迅速兴起的电动汽车中的应用；电化学储能技术在峰谷电价套利、新能源并网及电力系统辅助服务领域的不断推广。 2. 新型功能材料的电化学制备 金属电沉积制备各种表层功能材料（导电镀层、耐磨镀层、高温抗氧化镀层等）和金属基复合材料（如碳纤维增强的铝基或镍基复合材料）；电化学制备具有独特化学、光学、电磁学、力学性能的纳米新材料和应用于航天工业的梯度功能材料等。 3. 环境污染的监测、处理与防治 采用离子选择电极或气体电极制成的传感器用于痕量污染监测；应用于工业生产或废水处理中的电渗析法、电凝聚法、电氧化、电还原等分离技术。 4. 生命科学和医学密切相关的生物电化学 电化学传感器在生物学与医学的科研及诊断方面的应用；电化学技术和原理在探究生物机体生长和恢复的细胞过程机理中的应用。 5. 谱学电化学 将光谱技术引入电化学领域，在电化学传统优势的基础上结合了光谱实验技术的灵敏度高、检测速度快、体系扰动小、实时检测等优点。例如，利用红外光谱和拉曼光谱电化学技术，研究电极表面分子的吸附状态随电极电势的变化情况，在分子水平系统研究电化学反应过程；电化学表面等离子体共振谱可以提供精确的表面厚度和介电常数信息；电化学椭圆偏振光谱能够现场观察不同电化学条件下电极表面膜层的形成和发展过程；电化学原位透射电子显微镜实时动态观察电极微观结构及其变化；等等。 四、电化学学科在国民经济和社会发展中的战略地位 （一）“十二五”期间（2011～2015年） 我国节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车等战略性新兴产业快速发展，电化学学科贯穿其中众多的产业发展过程。其中*具代表性的是，以二次电池、超级电容器、燃料电池为代表的电化学能源在新能源和新能源汽车产业发展中发挥重要作用，促进了电池产业和产业链的完善与快速发展，带动了一批储能型电池技术与产业的逐步形成与发展。 （二）“十三五”规划以来（2016～2020年） 在未来世界再生能源与新能源持续保持强劲发展势头以及我国政府将新材料、新能源、新能源汽车作为战略性新兴产业的推动下，电化学迎来了更大的发展机遇。推动新能源汽车、新能源和节能环保产业快速壮大，构建可持续发展新模式，是“十三五”规划确定的重要发展任务之一，也是电化学学科发挥能动作用的主要领域。 此外，“中国制造 2025”规划的十大领域中，电化学学科在新一代信息技术产业、航空航天装备、节能与新能源汽车、新材料、生物医药等重要领域均具有巨大的应用潜能。 第二节电化学学科的发展趋势和现状 一、电化学学科的发展趋势 电化学学科的发展历时两个多世纪，现在已经成为国民经济与工业中不可缺少的部分，是一门历史悠久又不断焕发新生命力的学科。当前，电化学学科的发展趋势可以归纳为以下几个方面。 （一）电化学的研究体系和研究对象不断拓展 研究电极从局限于汞、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、生物膜等），并以各种分子、离子、基团对电极表面进行修饰，对其内部进行嵌入或掺杂；研究介质从水溶液介质，扩大到非水介质（有机溶剂、熔盐、固体电解质等）；研究条件从常温、常压扩大到高温、高压及超临界状态等极端条件。 （二）电化学与其他学科的交叉综合不断凸显 电化学与能源科学、生命科学、环境科学、材料科学、信息科学、物理科学、工程科学等诸多学科的交叉不断加深，衍生出众多新型电化学分支学科，如固态电化学、生物电化学、化学修饰电极学、纳米电化学等。 （三）电化学的研究方法不断发展和理论研究日趋深入 随着研究方法的时空分辨率和检测灵敏度不断提升，电化学基础理论研究向微观（亚微观）、分子及原子水平飞跃，更加注重电化学界面的结构细节和电化学过程的单分子事件，促进电化学界面微观结构模型的建立，推动电化学理论创新和技术创新，如原子、离子、分子、电子等的排布，界面电场的形成，界面电位的分布，界面区粒子间的相互作用，电极表面的微结构和表面重建，表面态等的建立。