中国学科发展战略·电化学

 

第一节 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。电化学最初被描述为“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。电化学最早的研究对象是电池、电解、电镀过程，所以最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。