电化学催化 魏子栋 电催化基础理论研究方法 高校电催化表面化学材料化学能源化学等相关专业教材 电化学领域技术研发工作者参

1.国家科学技术学术著作出版基金资助出版；
2.内容贯穿了电催化的基础理论、研究方法、前沿成果及工业应用等；
3.既可用于高等院校电催化、表面化学、材料化学、能源化学等相关专业教学科研，也可作为电化学领域技术研发工作者的参考书籍。

《电化学催化》由电化学催化基本概念和典型电极过程电催化两部分组成。第一部分主要介绍电化学催化理论基础，包括电化学催化的基本概念、电极/溶液界面的电催化特征、多孔电极理论以及理论模拟计算方法等4章内容；第二部分从电化学体系中的典型电催化过程案例出发，阐述了不同电催化反应的本质机理，以及特定电催化剂所具备的相关性质，并介绍了制备和调控具有上述性能催化剂的相关方法，包括氧还原、氢氧化、有机小分子燃料氧化、有机物转化以及析氢、析氧、析氯电反应过程等6章内容。
《电化学催化》贯穿了电催化的基础理论、研究方法、前沿成果以及工业应用等几个方面，既可作为高等院校电催化、表面化学、材料化学、能源化学等相关专业教材，也可作为电化学领域技术研发工作者的参考书籍。

魏子栋，重庆大学化学化工学院，院长，教授，教育部长江学者特聘教授，博士生导师，“新世纪百千万人才工程”人选，中国可再生能源学会氢能专业委员会委员，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人。长期致力于氢能与燃料电池核心科学问题和关键技术研究，主要学术贡献：提出并从理论上确定“碳表面M元素对Pt的锚定效应”理论；建立了表征气体多孔电极微时空尺度内物质传递与电化学反应及耦合规律的数学模型，发现三相界面与电极电位赖关系；提出PEMFC团簇模型，发现催化层有效通道数与组成之间的非平衡耗散结构特征；建立了描述甲醇电化学氧化过程电位振荡的非线性动力学模型，在国际上首次阐明甲醇电化学氧化时出现的电位振荡的根源在于电极电位对CO和含氧物种所参与的电化学反应和化学反应的耦合反馈作用；发明有序化抗溺水气体多孔电极及核/壳结构燃料电池催化剂。

第一篇 电化学催化理论基础
第1章 基本概念 002
1.1 催化剂与催化作用 002
1.1.1 催化剂与催化作用的定义 002
1.1.2 催化作用的基本特征 003
1.1.3 催化剂的基本组成与结构 004
1.1.4 多相催化反应过程 007
1.1.5 催化循环的建立 016
1.2 电化学催化 018
1.2.1 电化学催化特征 018
1.2.2 电化学催化剂的基本要求与设计原则 021
1.2.3 常见电化学催化过程 025
1.3 总结与展望 033
参考文献 033

第2章 电极/溶液界面的电化学催化 040
2.1 反应场所：电极/溶液界面结构与性质 040
2.1.1 双电层模型的发展 041
2.1.2 双电层的基本性质 043
2.2 反应过程：电极/溶液界面的反应历程 045
2.2.1 电极过程的速率控制步骤及其特点 046
2.2.2 电极过程的特征 047
2.3 影响电极/溶液界面电化学催化反应的因素 049
2.3.1 电极/溶液界面电子转移 050
2.3.2 电极/溶液界面结构 063
2.4 总结与展望 074
参考文献 074

第3章 多孔电极理论 078
3.1 抗水淹氧还原气体多孔电极 080
3.1.1 Pt-MnO2/C电极抑制电压反转效应 082
3.1.2 抗水淹传质通道的设计构建 083
3.2 多孔氧还原催化剂的设计合成 089
3.2.1 非贵金属氧还原催化剂的活性位分布及孔道设计 089
3.2.2 多孔氧还原催化剂的设计合成 094
3.2.3 非孔氧还原催化材料/非孔传质通道构建 130
3.3 多孔电极 131
3.3.1 多孔电极的设计要求 131
3.3.2 多孔电极的结构 132
3.3.3 多孔电极经典制备方法 137
3.3.4 有序/一体化多孔电极 139
3.4 氧还原多孔电极的应用 148
3.4.1 锌- 空气电池 149
3.4.2 锂- 空气电池 153
3.4.3 铝- 空气电池 154
3.4.4 其他空气电池 155
3.5 总结和展望 158
参考文献 159

第4章 模拟与计算方法 178
4.1 模型构建的理论基础 178
4.1.1 晶胞、原胞和超胞 178
4.1.2 晶格、倒易晶格 178
4.1.3 计算模型的选择 179
4.2 计算方法的理论基础 181
4.2.1 薛定谔方程的简单描述 181
4.2.2 非相对论近似 182
4.2.3 波恩- 奥本海默近似 182
4.2.4 第一性原理计算的Hartree-Fock方法（单电子近似） 183
4.2.5 密度泛函理论 185
4.2.6 Car-Parrinello分子动力学方法 190
4.2.7 量子力学/分子力学耦合方法 191
4.3 电子性质的理论基础 192
4.3.1 晶体的能带结构 192
4.3.2 态密度 193
4.3.3 布居数分析 194
4.4 吸附与反应的理论基础和应用 195
4.4.1 势能面及其特征 195
4.4.2 吸附能 196
4.4.3 BEP关系在反应中的应用 198
4.4.4 电极电势的模拟 198
4.5 总结与展望 203
参考文献 203


第二篇 典型电极过程电催化
第5章 氧还原电催化过程 208
5.1 氧还原催化机理 208
5.2 Pt 基催化剂 212
5.3 Pd 基催化剂 215
5.4 杂原子掺碳非贵金属催化剂 217
5.5 金属氧化物、硫化物催化剂 225
5.6 碳基催化剂 227
5.6.1 孔结构 227
5.6.2 稳定性 227
5.7 过渡金属化合物催化剂 228
5.8 氧还原电催化剂活性调控方法 228
5.8.1 Pt基氧还原电催化剂 228
5.8.2 过渡金属化合物类催化剂 242
5.8.3 碳基催化剂 250
5.9 氧还原电催化剂稳定性的提升 253
5.10 总结与展望 254
参考文献 254

第6章 氢氧化电化学催化 279
6.1 氢氧化机理 282
6.1.1 氢燃料电池中氢氧化机理 282
6.1.2 碱性介质中的氢氧化机理 284
6.2 氢氧化催化剂 292
6.2.1 催化剂结构与氢氧化活性的构效关系 292
6.2.2 氢氧化催化剂 300
6.3 氢氧化电催化剂的性能评价与设计策略 311
6.3.1 氢氧化催化性能测试与评价 311
6.3.2 催化剂的设计策略 315
6.4 总结与展望 321
参考文献 322

第7章 有机小分子电催化 331
7.1 催化剂表面CO 中毒 332
7.1.1 Pt表面CO中毒机理 332
7.1.2 微量热法研究CO 在催化剂表面吸附 333
7.2 甲醇氧化 335
7.2.1 甲醇氧化机理 335
7.2.2 甲醇氧化催化剂 342
7.3 甲酸氧化 347
7.3.1 甲酸氧化机理 347
7.3.2 甲酸氧化催化剂 349
7.4 乙醇氧化 353
7.4.1 乙醇氧化机理 353
7.4.2 乙醇氧化催化剂 355
7.5 总结与展望 357
参考文献 357

第8章 有机电化学合成 366
8.1 电催化氧化 368
8.1.1 国内外研究现状及存在问题 368
8.1.2 研究方面 370
8.2 电催化还原 375
8.2.1 研究现状和主要问题 375
8.2.2 研究方面 375
8.3 C-H 活化取代 381
8.3.1 研究现状和主要问题 381
8.3.2 研究方面 382
8.4 几种重要的工业有机电合成反应 386
8.5 电化学合成反应器 391
8.5.1 二维电合成反应器 391
8.5.2 三维电合成反应器 393
8.6 总结与展望 393
参考文献 394

第9章 电解水 400
9.1 析氢电催化剂 400
9.1.1 析氢电催化剂概述 400
9.1.2 析氢反应机理 400
9.1.3 不同介质中的析氢反应 403
9.1.4 析氢电催化剂研究进展 407
9.1.5 总结与展望 441
9.2 析氧电催化剂 442
9.2.1 析氧电催化剂概述 442
9.2.2 析氧电催化剂机理的研究进展 443
9.2.3 增强过渡金属化合物析氧催化活性的策略 447
9.2.4 常用的过渡金属化合物用作OER 催化剂 462
9.2.5 析氧催化剂失活机理的研究进展 477
9.2.6 总结与展望 481
9.3 电解水工业 482
9.3.1 为什么要发展工业电解水制氢 482
9.3.2 电解水工业发展概况 484
9.3.3 电解水制氢的动力学和热力学 488
9.3.4 碱性电解水制氢 492
9.3.5 离子膜法电解水 495
9.3.6 总结与展望 506
参考文献 507

第10章 析氯电极与氯碱工业 560
10.1 钛基金属阳极涂层的优点 562
10.2 形稳阳极的作用机理 562
10.2.1 导电机理 563
10.2.2 析氯催化机理 563
10.2.3 失活机理 566
10.3 形稳阳极的设计 569
10.3.1 涂层组分的筛选 570
10.3.2 基体预处理 572
10.3.3 制备方法 572
10.3.4 结构形貌的影响 577
10.4 氯碱工业节能技术的发展 579
10.4.1 国产氯碱离子膜的发展 579
10.4.2 零极距离子膜电解槽的发展 580
10.4.3 氧阴极离子膜电解技术的发展 581
10.5 总结与展望 582
参考文献 582


索 引 588

后 记 593
“中庸”和“催化”随想 593
参考文献 596

无