電化學的發(fā)展與應(yīng)用前景

摘 要：電化學是一門邊緣學科，在歷史長河中被人類先后認知，最終發(fā)明，有著很大的發(fā)展空間和應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：電化學；生命科學；燃料電池；氧化劑；高分子材料；有機材料；生物酶傳感器

歷史的長河中，人類先后發(fā)現(xiàn)了火與電，并開始進一步研究和利用，恰當發(fā)揮二者在生產(chǎn)生活中的作用。大約200萬年前，我國發(fā)現(xiàn)最早使用火的古人類是170萬年前元謀猿人，火的應(yīng)用從一定程度上說是化學發(fā)展史的開端。人類最早意識到電的存在是摩擦起電現(xiàn)象要追溯到公元前600年左右。電與化學的結(jié)合開啟了電化學的時代。1800年，英國化學家安東尼卡萊爾和威廉尼克爾森通過電解的方式成功將水分解為氫氣和氧氣，是電化學史上的一次成功應(yīng)用。

1 電化學中燃料電池的發(fā)展

燃料電池是一種通過化學反應(yīng)把化學能轉(zhuǎn)化為電能的化學反應(yīng)，是電化學的現(xiàn)實應(yīng)用。

燃料電池在生產(chǎn)生活中起著較為重要的作用，因為其不可替代的優(yōu)良特性。

第一，相比于核能、風能、油氣、煤等能源的能量轉(zhuǎn)化率，燃料電池的能量轉(zhuǎn)率很高，依據(jù)這一特性，更多的應(yīng)用到商業(yè)，軍工，和專業(yè)研究等方面。

第二，燃料電池具有優(yōu)良的環(huán)保特性，污染小，所以無論是從長期上考慮投入到污染治理方面的費用，還是短期上對生態(tài)環(huán)境側(cè)面保護來說都處于其他形式能源不能相比的地位。

第三，燃料電池的操作簡單，便于應(yīng)用，更是為其擴展了應(yīng)用條件。

現(xiàn)階段發(fā)展比較成熟的堿性燃料電池主要是氫氧燃料電池，已經(jīng)開始著眼應(yīng)用于空間航天器的電能使用及續(xù)航，而相對應(yīng)的主要的酸性燃料電池主要是磷酸燃料電池，磷酸在較高溫度下，導電性較好同時濕度對其導電性影響較小，德國和美國開始共同合作建立發(fā)電廠。下一步要開始發(fā)現(xiàn)并探究新的催化劑，提高反應(yīng)的效率。

同時由于燃料電池的環(huán)保性，燃料電池汽車已經(jīng)發(fā)展到第三代，燃料電池直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池，雖然還處于研制階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，但是相信不久就可以實現(xiàn)突破。燃料電池的發(fā)展趨向多元化，將會更多的把研究方向轉(zhuǎn)化為電解質(zhì)膜的研究和催化劑的選擇，最終提高燃料電池的使用壽命和使用效率。

2 電化學腐蝕的影響因素及電化學的防腐應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)生活中涉及到大量的金屬構(gòu)件，而金屬構(gòu)件的腐蝕對于構(gòu)建的損害是極其嚴重的，同時影響到了構(gòu)件的正常使用，也浪費了金屬能源，防腐工作因此起到了非常重要的作用，電化學在防腐應(yīng)用上起到了很重要的作用，因此要研究影響腐蝕過程中電化學反應(yīng)的因素，初步探究猜想氯離子和溶液的酸堿度都會對反應(yīng)有影響。

為了防止金屬腐蝕的進行，有很多防止腐蝕的電化學方法，為大家所熟知的有運用電鍍法進行金屬涂層和鍍層，還有陰極保護法，陽極保護法，還有緩蝕劑保護等方法。犧牲陽極的陰極保護法技術(shù)應(yīng)用到金屬防腐工程中，陽極材料采用鎂合金被保護金屬管道的電極電位控制在一定范圍內(nèi)從而可以對金屬設(shè)施起到很重要的防腐作用。陽極保護法在鋼制硫酸防腐中廣泛應(yīng)用，并且得到了進一步的推廣。

同時，緩釋劑的使用也被應(yīng)用到了防腐當中，例如水穩(wěn)劑對冷卻水中一些常見的金屬離子的減緩腐蝕情況的影響。電化學在防腐過程中，節(jié)約了能源，加強了環(huán)境保護，也減少了多方面的經(jīng)濟損失起到了很好的加強生產(chǎn)效率的作用。

3 電化學在材料科學中的分類及發(fā)展前景

電化學和材料科學是兩種已經(jīng)比較成熟的邊緣學科，而關(guān)于二者的結(jié)合，越來越受到全世界科學研究者和關(guān)注。例如微觀電化學材料科學作為二者交叉的研究方向包括了帶點界面上的現(xiàn)象同時也關(guān)注這階段材料內(nèi)部的變化，還有宏觀電化學材料科學，不同于微觀，宏觀上主要觀察離子的流動現(xiàn)象與材料有關(guān)的問題。

電化學材料科學的研究方向日益明確，主要是研究材料發(fā)生化學變化時涉及到的與電有關(guān)的變化和現(xiàn)象。微觀電化學材料科學主要研究電解材料，電極材料，傳感信息材料。其中電極材料分為陽極材料，陰極材料，還有其他電極材，具體包括一些碳材料，金屬材料，氧化物材料，復合材料等。傳感信息材料包括傳感材料，信息材料，具體包括氣體傳感材料，生物傳感材料，信息轉(zhuǎn)換材料，電接觸材料。電解質(zhì)材料分為電解質(zhì)材料，隔膜材料，具體包括電解質(zhì)，電離子導體，隔膜材料等等。

電化學材料科學可以從宏觀微觀的角度來劃分，同時也可以從材料角度來劃分，可以分為電化學無機材料科學和電化學材料有機科學，或者分為理論電化學材料和應(yīng)用電化學材料，還可以分為腐蝕電化學材料科學，分子電化學材料科學，工業(yè)電化學材料科學。

4 生物電化學的發(fā)展

近些年來，生物電化學發(fā)展非常迅速，電化學在生命科學中有很多科學應(yīng)用，技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)階段例如電脈沖基因直接導入，在癌癥治療當中應(yīng)用的電化學，生物分子的電化學行為等等。電化學生物傳感器在生物電化學的發(fā)展當中是一個很好的創(chuàng)新與嘗試，并且取得了一定的成就。傳感器一般由識別元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路及相應(yīng)結(jié)構(gòu)附件組成，而生物傳感器是指用生物體成分或生物體自身作為識別元件，以電信號為接受信息。生物酶電極傳感器，通過測定氧氣的消耗和過氧化氫的產(chǎn)生，酸堿度的變化來測定葡萄糖的產(chǎn)生，市面上的一些商業(yè)生物酶傳感器包括尿酸生物酶電極傳感器，GOD電極傳感器，乳酸單氧化酶電極傳感器。微生物電極傳感器，利用微生物體內(nèi)的酶，微生物對有機物的同化作用，雖然穩(wěn)定性有待提高但由于價格上的優(yōu)勢和壽命較長，微生物電極傳感器有著很好的發(fā)展空間和前景。電化學DNA傳感器，簡單來說是利用DNA分子配對達到檢測基因的目的。

以上只是生物電化學的冰山一角，隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展，我想生物電化學會有著更強勁的發(fā)展動力和發(fā)展空間，生物電化學也一定會成為一個非常有生命力的前沿學科。

參考文獻：

[1] 李景紅.分析化學.

[2] 天趙武.電化學.

[3] 張楚富.生物化學原理.高等教育出版社.

作者簡介：孫日鑫（1994-），女，山東費縣人，沈陽師范大學化學化工學院應(yīng)用化學專業(yè)。