电化学的发展与应用前景

摘 要：电化学是一门边缘学科，在历史长河中被人类先后认知，最终发明，有着很大的发展空间和应用范围。

关键词：电化学；生命科学；燃料电池；氧化剂；高分子材料；有机材料；生物酶传感器

历史的长河中，人类先后发现了火与电，并开始进一步研究和利用，恰当发挥二者在生产生活中的作用。大约200万年前，我国发现最早使用火的古人类是170万年前元谋猿人，火的应用从一定程度上说是化学发展史的开端。人类最早意识到电的存在是摩擦起电现象要追溯到公元前600年左右。电与化学的结合开启了电化学的时代。1800年，英国化学家安东尼卡莱尔和威廉尼克尔森通过电解的方式成功将水分解为氢气和氧气，是电化学史上的一次成功应用。

1 电化学中燃料电池的发展

燃料电池是一种通过化学反应把化学能转化为电能的化学反应，是电化学的现实应用。

燃料电池在生产生活中起着较为重要的作用，因为其不可替代的优良特性。

第一，相比于核能、风能、油气、煤等能源的能量转化率，燃料电池的能量转率很高，依据这一特性，更多的应用到商业，军工，和专业研究等方面。

第二，燃料电池具有优良的环保特性，污染小，所以无论是从长期上考虑投入到污染治理方面的费用，还是短期上对生态环境侧面保护来说都处于其他形式能源不能相比的地位。

第三，燃料电池的操作简单，便于应用，更是为其扩展了应用条件。

现阶段发展比较成熟的碱性燃料电池主要是氢氧燃料电池，已经开始着眼应用于空间航天器的电能使用及续航，而相对应的主要的酸性燃料电池主要是磷酸燃料电池，磷酸在较高温度下，导电性较好同时湿度对其导电性影响较小，德国和美国开始共同合作建立发电厂。下一步要开始发现并探究新的催化剂，提高反应的效率。

同时由于燃料电池的环保性，燃料电池汽车已经发展到第三代，燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，虽然还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破，但是相信不久就可以实现突破。燃料电池的发展趋向多元化，将会更多的把研究方向转化为电解质膜的研究和催化剂的选择，最终提高燃料电池的使用寿命和使用效率。

2 电化学腐蚀的影响因素及电化学的防腐应用

现代工业生产生活中涉及到大量的金属构件，而金属构件的腐蚀对于构建的损害是极其严重的，同时影响到了构件的正常使用，也浪费了金属能源，防腐工作因此起到了非常重要的作用，电化学在防腐应用上起到了很重要的作用，因此要研究影响腐蚀过程中电化学反应的因素，初步探究猜想氯离子和溶液的酸碱度都会对反应有影响。

为了防止金属腐蚀的进行，有很多防止腐蚀的电化学方法，为大家所熟知的有运用电镀法进行金属涂层和镀层，还有阴极保护法，阳极保护法，还有缓蚀剂保护等方法。牺牲阳极的阴极保护法技术应用到金属防腐工程中，阳极材料采用镁合金被保护金属管道的电极电位控制在一定范围内从而可以对金属设施起到很重要的防腐作用。阳极保护法在钢制硫酸防腐中广泛应用，并且得到了进一步的推广。

同时，缓释剂的使用也被应用到了防腐当中，例如水稳剂对冷却水中一些常见的金属离子的减缓腐蚀情况的影响。电化学在防腐过程中，节约了能源，加强了环境保护，也减少了多方面的经济损失起到了很好的加强生产效率的作用。

3 电化学在材料科学中的分类及发展前景

电化学和材料科学是两种已经比较成熟的边缘学科，而关于二者的结合，越来越受到全世界科学研究者和关注。例如微观电化学材料科学作为二者交叉的研究方向包括了带点界面上的现象同时也关注这阶段材料内部的变化，还有宏观电化学材料科学，不同于微观，宏观上主要观察离子的流动现象与材料有关的问题。

电化学材料科学的研究方向日益明确，主要是研究材料发生化学变化时涉及到的与电有关的变化和现象。微观电化学材料科学主要研究电解材料，电极材料，传感信息材料。其中电极材料分为阳极材料，阴极材料，还有其他电极材，具体包括一些碳材料，金属材料，氧化物材料，复合材料等。传感信息材料包括传感材料，信息材料，具体包括气体传感材料，生物传感材料，信息转换材料，电接触材料。电解质材料分为电解质材料，隔膜材料，具体包括电解质，电离子导体，隔膜材料等等。

电化学材料科学可以从宏观微观的角度来划分，同时也可以从材料角度来划分，可以分为电化学无机材料科学和电化学材料有机科学，或者分为理论电化学材料和应用电化学材料，还可以分为腐蚀电化学材料科学，分子电化学材料科学，工业电化学材料科学。

4 生物电化学的发展

近些年来，生物电化学发展非常迅速，电化学在生命科学中有很多科学应用，技术应用，现阶段例如电脉冲基因直接导入，在癌症治疗当中应用的电化学，生物分子的电化学行为等等。电化学生物传感器在生物电化学的发展当中是一个很好的创新与尝试，并且取得了一定的成就。传感器一般由识别元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成，而生物传感器是指用生物体成分或生物体自身作为识别元件，以电信号为接受信息。生物酶电极传感器，通过测定氧气的消耗和过氧化氢的产生，酸碱度的变化来测定葡萄糖的产生，市面上的一些商业生物酶传感器包括尿酸生物酶电极传感器，GOD电极传感器，乳酸单氧化酶电极传感器。微生物电极传感器，利用微生物体内的酶，微生物对有机物的同化作用，虽然稳定性有待提高但由于价格上的优势和寿命较长，微生物电极传感器有着很好的发展空间和前景。电化学DNA传感器，简单来说是利用DNA分子配对达到检测基因的目的。

以上只是生物电化学的冰山一角，随着科学技术的进一步发展，我想生物电化学会有着更强劲的发展动力和发展空间，生物电化学也一定会成为一个非常有生命力的前沿学科。

参考文献：

[1] 李景红.分析化学.

[2] 天赵武.电化学.

[3] 张楚富.生物化学原理.高等教育出版社.

作者简介：孙日鑫（1994-），女，山东费县人，沈阳师范大学化学化工学院应用化学专业。