物 理 化 学 论 文
论文题目： 纳米材料在电化学中的应用 中产教育鄙视链 * ** **
单 位： 理学院 生物工程1001
2012年12月10日
安亭事件
纳米材料在电化学中的应用
赵丹
（东北大学理学院生物工程1001）
摘要：电化学是物理化学的一门重要分支学科,广泛应用于生产实践及基础理论研究中。电化学是化学能和电能的转化。将化学能转变为电能的装置称为原电池；将电能转变为化学能的装置是电解池。电化学装置包含电解质溶液和电极系统两部分。近些年来，电化学的研究领域越来越广泛，特别是纳米材料的应用，如纳米半导体材料，以及纳米材料原子排列结构层次的电化学催化等。 Abstract:Electrochemical physical chemistry in an important branch discipline,that widely used in the production practice and theory study.Electrochemical is the transformation of chemical energy and electric energy.The chemical energy into electrical energy called galvanic cell;The electrical energy into chemical energy device is electrolytic cell.Electrochemical device contains electrolyte solution and electrode system two parts.In recent years,electrochemical research field is more and more widely,especially the application of nanometer materials,Such as nano semiconductor materials、nanometer materials and atomic arrangement structure levels of electrochemical catalytic 。
关键词：电化学(electrochemical)、原电池(galvanic cell)、电解质(electrolyte)、正极(positive electrode)、负极(negative electrode)、纳米（nano ）、原子排列结构（atomic arrangement structure）、纳米结构半导体材料（nano structure semiconductor materials ）
电化学在我们的日常生活中有着十分重要的应用，比如金属防腐，提纯金属等等。无论是电解池还是原电池，都需要正负极。在电解池中，与电源的正极相连的电极称为阳极。物质在阳极上失去电子，发生氧化反应。与电源的负极相连的电极成为阴极。物质在阴极上得到电子，发生还原反应。在原电池中，电子流出的一极；化合价升高的一极；发生氧化反应的一极；活泼性相对较强的一极为负极。电子流入的一极；化合价降低的一极；发生还原反应的一极；相对不活泼的一极为正极。 在原电池商业地产运营模式
恐惧的总和
原电池Galvanic cell 电解池Electrolytic cell
中，外电路为电子导电，电解质溶液中为离子导电。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于
纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 一、纳米结构半导体材料
纳米电化学是近年最令人瞩目和最为活跃的电化学前沿之一。进入20世纪以来，人类的工业文明迅速发展，纳米材料作为一项新兴的产品在各个领域得到广泛应用。而在物理化
学中，纳米结构材料更是有重要的应用。如在光电化学领域，从上一世纪90年代以来随着纳米半导体材料的发展力[1、2]，光电化学研究方向似乎得到了指明。纳米结构材料不同于一般的材料，它对光电化学能量转换过程产生重要的影响，随着新材料的发展，相关的新概念，新理论和新技术也大大充实了半导体光电化学研究内容，同时纳米结构半导体材料在太阳能光电转换，光电化学合成，光催化降解有机物污染物，光致变，光信息存储，显示等应用领域也有十分巨大的应用潜力。利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
目前研究较多的纳米半导体电极主要包括超晶格量子阱电极，纳米多孔薄膜电极和有机-纳米半导体复合薄膜。超晶格量子阱半导体是由两种不同的半导体材料交替生长厚度为几原子层到几十原子层的超薄层，形成一个比原晶格大若干倍的新周期结构的人工半导体晶体。超晶格量子阱半导体电极具有独特的晶体结构和优于体材料的光电特性，如寿命长，载流子迁移率大等。纳晶多孔半导体电极是由几纳米到几十纳米的半导体纳晶粒子组成的
具有三维网络多孔结构的薄膜电极[3]，保持了半导体纳米颗粒的量子尺寸效应、表面效应、介电效应以及所导致不寻常的光电化学行为。纳晶半导体的比表面大，表面态度高，对体系性能的影响比单晶和多晶更为显著。在纳米结构半导体和有机光敏染料新型光电功能材料发展的基础上，将两种材料的不同光电功能特性进行有机的结合，通过染料分子的吸附功能基团与纳米半导体相互作用，使染料分子与纳米半导体表面之间建立电性耦合，有效地促进了电荷转移，形成有机-纳米半导体复合光电功能材料。复合光电功能材料有利于实现光电功能特性的优势互补，优化组合，这样无疑会带来不同于常规材料的许多优异性能。而目前国内外纳米半导体光电化学电池研究主要有这几个方面[4] ：有机光敏材料的光谱影响、有机光敏才料与纳米半导体表面的相互作用、有机材料-纳米半导体复合薄膜电极的表面修饰、纳晶半导体薄膜散射效应、复合型纳晶半导体的研究都取得了很大的成就。
纳米结构半导体电极在未来的发展主要是制备不同微结构的纳米结构半导体电极，研究其不同于传统半导体电极的热力学和动力学特性。
二、纳米材料原子排列结构层次电化学催化
电催化的本质是通过改变电极表面修饰物（或表面状态）或溶液中的修饰物来大范围地改变反应的电势或反应速率，使电极具有电子传递功能外，还能对电化学反应进行某种促进和选择。
在原子排列结构层次方面，研究纳米材料的电化学催化也是一个重要领域。其研究内容多种多样，不过最为热门的当属金属单晶手性和阶梯晶面及其修饰在内的有序表面纳米结构的构筑，金属和合金纳米微晶的合成和表面组装和定向排列。大多数研究合成新的纳米材料的化学组成、形貌、聚集状态、物理性能等，较少涉及固/液界面纳米材料原子排列层次的研究。而事实上，纳米材料表面的原子排列结构是影响其性能的重要因数。
在过去十多年来，对原子排列结构层次固/液界面的电催化反映过程的研究，主要是利用过渡金属，尤其是铂族金属单晶面提供的模型表面进行[5]。在电化学催化的实际应用中，从成本和制备工艺等方面考虑几乎不可能使用金属或合金单晶面作为电化学催化剂。例如，在燃料电池[6]和有机电合成[7]中，常用电化学催化剂的都是将催化材料尽可能的分散、负载到价廉易得的导电基底表面（如石墨、玻璃、高聚物等）。随着各种科学研究技术的发展和积累了大量关于纳米材料制备和性能的认识，研究纳米材料原子排列结构层次上的电化学催化成为了可能。
进一步在原子排列结构层次上构筑表面纳米结构，从而获取电化学催化性能。如控制单晶电极表面的结构重建，研制手性晶面等。
通过合成金属或合金纳米晶并组装到导电基底表面，或通过物理方法构筑原子排列结构层次上的表面纳米结构，深入研究研究电化学催化中的表面原子排列结构效应和纳米尺度效应等。运用化学气相沉积、金属溅射沉积、分子束外延生长、有机金属配合物气相沉积等物理方法，控制条件在导电基底上制备表面原子排列结构明确的纳米薄膜。综上，开展纳米材料原子排列结构层次上的电化学催化不仅具有基础理论研究意义、更具有重要的应用价值，是纳米科技、电化学、表面科学、材料科学等多学科交叉发展的方向之一。
物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象，大量采纳物理学的理论成就与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。物理化学中所反映的普遍规律是建立在热力学、统计力学和量子力学等物理学科的基础之上。在我们的日常生活和生产工作中，物理化学有着不可或缺的重要待遇，我们的生活离不开它，如从高压锅的使用联系到克-克方程、从衣服的洗涤和喷洒农药来体会表面活性剂的作
用、奥密克戎BA.5.2变异株从江河入海处三角洲的形成学习胶体的聚沉作用、dct变换城市晚上的霓虹灯现象引出丁达尔效应、测定血液中血清蛋白的电泳图就可判定人体的肝功能是否正常等等。
参考文献
[1] Nozik A J，Thacker B R，Tunner J et al.Quantum effects in the photocurrent spectroscopy of supperlattice electrodes.J am Chem Soc，1985，107：7805
[2]Nozik A J，Thacker B R，Olson J M.Nature，1987,326:450
[3]Yuan Lin，JingBo Zhang，Feng Yin，XuRui Xiao.Interfacial charge transfer behaviours of nanoparticulate CdSe thin film electrodes.Zeitschrift fuer physikalisck Chemie，1999，8:749
[4]Gratzel M Dye-sensitized solar cells.J Photochem Photobio C Photochem Rev，2003,4:145
