材料電化學

本書介紹了應用電化學經典理論和分子軌道理論，重點闡述了與材料科學緊密相關的電化學過程及參數，包括電解質、結構與成鍵、電極電位、雙電層及吸附原子、物質傳輸與電荷傳遞，以及晶體成核與生長過程等；全書側重理論與應用實際相結合，通過應用實例對當今材料科學中的重要材料電化學體系，如金屬和合金電化學沉積(金屬鍵材料)、氧化物和半導體(無機非金屬材料)、腐蝕與防護(材料錶面)、本徵導電聚合物(有機共價鍵材料)及納米電化學(復合材料)等都進行了專題細致論述，同時結合應用體系介紹了各種現代先進的電化學研究方法。本書內容不僅有助於深化對材料電化學基本過程的認識，而且對各種先進材料設計、電化學可控制備、電化學表徵研究等材料電化學方面的研究等都具有重要實際指導意義。

目錄
前言
第1章 電解質 1
1.1 液體電解質溶液 1
1.2 離子熔體 5
1.2.1 鹼金屬滷化物熔體 5
1.2.2 玻璃狀熔鹽 6
1.2.3 離子液體 6
1.3 聚合物中離子電導 8
1.3.1 聚合物電解質 9
1.3.2 凝膠聚合物電解質 10
1.3.3 離子交換聚合物電解質 10
1.4 固體中離子電導 10
1.4.1 晶體缺陷 11
1.4.2 內在無序 12
1.4.3 外在無序 14
1.4.4 亞晶格無序 15
1.4.5 缺陷傳輸 17
1.4.6 離子導電玻璃 18
1.4.7 混合離子-電子導體 18
參考文獻 19
第2章 結構與成鍵 21
2.1 結構因子 21
2.2 金屬的密堆積結構 22
2.3 合金的密堆積結構 24
2.4 固溶體形成的Hume-Rothery規律 24
2.5 體心立方結構 25
2.6 Hume-Rothery相 26
2.7 離子結構 27
2.8 分子多面體配位 29
2.9 固體的電子能帶模型 31
2.9.1 金屬中自由電子 31
2.9.2 固體中的軌道 33
2.9.3 態密度 34
2.9.4 電子填充和費米能級 36
2.9.5 晶體的軌道重疊集聚：鍵的形成 38
2.9.6 多維擴展 39
2.9.7 d區金屬能帶結構 40
2.9.8 半導體：以TiO2例 40
2.9.9 Peierls畸變 43
2.9.10 電解質的能帶 43
2.10 固體中的凝聚力 44
2.10.1 晶格焓 44
2.10.2 升華焓 45
2.10.3 金屬的鍵能 47
2.10.4 合金的鍵能 48
參考文獻 57
第3章 電極電位 59
3.1 純金屬 59
3.1.1 金屬相與電解質相之間的平衡 59
3.1.2 標準電極電位 59
3.1.3 金屬絡合物的標準電極電位 66
3.2 合金 69
3.2.1 偏摩爾吉布斯自由能 69
3.2.2 偏摩爾函數的電化學測試 70
3.2.3 AgxAuy-固溶體實例 71
3.2.4 組分B的偏摩爾函數 75
3.2.5 從偏摩爾函數到整體函數 77
3.3 金屬間相和化合物 78
3.3.1 電位-摩爾分數圖 78
3.3.2 庫侖滴定法 79
3.3.3 庫侖滴定：LiAl體系 79
3.3.4 金屬間化合物：LiSb體系 82
3.3.5 在室溫下的測量：CuZn 83
參考文獻 84
第4章 吸附原子和欠電位沉積 86
4.1 界面相的熱力學描述 86
4.1.1 電化學雙電層 86
4.1.2 理想極化電極 89
4.1.3 電毛細曲線 89
4.1.4 吸附等溫線 91
4.1.5 可逆電極 92
4.1.6 部分電荷和電吸附價 93
4.1.7 固體電解質界面熱力學 95
4.2 電化學雙電層的主要研究方法 96
4.2.1 電容測量 97
4.2.2 循環伏安和計時電流法 100
4.2.3 吸附量的測定 101
4.2.4 掃描隧道顯微鏡和相關方法 104
4.3 吸附原子 106
4.3.1 吸附原子的吸附和脫附 106
4.3.2 平衡吸附原子濃度 108
4.3.3 吸附原子的錶面擴散 108
4.4 欠電位沉積 109
4.4.1 銀錶面沉積鉛 110
4.4.2 金錶面沉積銅 113
4.4.3 欠電位沉積二維相的形成 115
4.4.4 多步驟欠電位沉膜的形成 117
註釋 117
參考文獻 117
第5章 物質傳輸 120
5.1 穩態擴散 121
5.2 非穩態擴散 123
5.2.1 計時電位法 123
5.2.2 計時電流和計時電量法 124
5.2.3 瓦爾堡阻抗 126
5.2.4 循環伏安法 130
5.2.5 微電極 131
5.3 固相中的擴散 132
5.3.1 恆電位法 133
5.3.2 恆電流法 134
5.4 擴散過電位的控制方法 136
5.4.1 旋轉圓盤電極 136
5.4.2 旋轉環盤電極 139
5.4.3 旋轉圓柱電極 139
參考文獻 140
第6章 電荷傳遞 142
6.1 電子傳遞 142
6.1.1 Butler-Volmer方程 142
6.1.2 塔費爾曲線 145
6.1.3 電荷傳遞電阻 146
6.1.4 電荷傳遞理論 146
6.2 電化學反應級數 149
6.2.1 由塔費爾曲線測定電化學反應級數 150
6.2.2 由電荷轉移電阻測定電化學反應級數 151
6.3 離子傳遞 154
6.4 電荷傳遞和物質傳遞 155
6.4.1 旋轉圓盤電極消除擴散過電位 156
6.4.2 計時電流和計時電位法消除擴散過電位 158
6.4.3 阻抗譜消除擴散過電位 161
參考文獻 161
第7章 金屬的成核與生長 162
7.1 成核 162
7.1.1 三維成核 162
7.1.2 二維成核 164
7.1.3 成核速率 164
7.1.4 瞬時成核和分步成核 166
7.2 電沉積中間態 168
7.2.1 結晶超電勢 169
7.3 錶面動力學 170
7.3.1 扭結位置的駐留時間 170
7.3.2 計算駐留時間 171
7.4 扭結點密度 173
7.4.1 平衡狀態 173
7.4.2 沉積狀態 174
7.5 電沉積的實驗研究 176
7.5.1 在汞齊電極上的電沉積 176
7.5.2 固體電極的研究 176
7.5.3 水性溶劑電沉積的應用 179
7.5.4 平行反應 180
7.6 非水溶劑電沉積 180
7.6.1 鋁的熔鹽沉積 181
7.6.2 鋁的有機電解質沉積 182
7.6.3 鋁的離子液體沉積 182
7.7 添加劑 183
7.7.1 軟-硬吸附的概念 184
7.7.2 添加劑對不同結晶面沉積的影響 185
7.7.3 陽極溶出法研究添加劑行為 185
7.8 光譜方法研究金屬沉積 187
7.8.1 氰化物溶液中銀錶面拉曼光譜 187
7.8.2 有機添加劑的拉曼光譜 188
參考文獻 190
第8章 合金的沉積 193
8.1 沉積電勢和平衡電勢 193
8.2 合金成核與生長：部分電流概念 193
8.3 勃倫納的合金分類 194
8.4 混合電位理論 195
8.5 合金沉積中的錶面選擇性 196
8.5.1 合金的扭結位點 196
8.5.2 分離率和停留時間 198
8.5.3 停留時間和合金的結構 198
8.6 馬爾可夫鏈理論和概率矩陣定義 199
8.6.1 平衡結晶過程 199
8.6.2 速率控制過程 200
8.6.3 選擇性常數的測定 201
8.6.4 用選擇性常數表徵合金 202
8.6.5 扭結位點的選擇性常數和停留時間 203
8.7 實驗實例 203
8.7.1 鈷鐵合金系統 203
8.7.2 鈷鎳合金系統 206
8.7.3 鐵鎳合金系統 208
8.7.4 誘導沉積：鎳鉬合金系統 209
8.8 三元體系 215
8.8.1 三元體系中的扭結位點 215
8.8.2 三元體系的馬爾可夫鏈理論 216
8.8.3 舉例：對CoFeNi合金成分預測 217
參考文獻 218
第9章 氧化物和半導體 220
9.1 半導體的電化學性質 220
9.1.1 半導體的能帶模型 220
9.1.2 半導體電解質接觸 221
9.1.3 能隙態和錶面態 223
9.1.4 電流-電位曲線 224
9.1.5 空間電荷層電容 225
9.2 半導體的光電化學 227
9.2.1 光電流 228
9.2.2 強度調制光電流譜(IMPS) 230
9.2.3 光電壓和光電壓的瞬態 231
9.3 光譜方法 232
9.3.1 原位光譜方法 232
9.3.2 原位X射線衍射和X射線吸收光譜 232
9.3.3 原位穆斯堡爾譜 234
9.3.4 非原位光譜方法 234
9.4 顯微鏡 234
9.5 氧化物顆粒 236
9.5.1 電池 236
9.5.2 鋰離子電池 237
9.5.3 TiO2光伏電池 238
9.5.4 氧化物顆粒的催化活性 240
9.6 氧化物層 240
9.7 半導體的電沉積 241
參考文獻 241
第10章 腐蝕與防護 244
10.1 腐蝕 244
10.1.1 基本過程 245
10.1.2 金屬溶解機理 248
10.1.3 補償反應機制 249
10.1.4 鐵和不銹鋼 250
10.1.5 鋼鐵冶金方面 250
10.1.6 銅 251
10.1.7 鋅 252
10.1.8 腐蝕產物 253
10.1.9 合金腐蝕 253
10.2 腐蝕保護 256
10.2.1 鈍態 257
10.2.2 陰極防蝕 265
10.2.3 緩蝕 266
10.2.4 磷化 267
10.2.5 鈍化 267
10.2.6 錶面防腐 268
參考文獻 268
第11章 固有導電性高聚物 271
11.1 化學合成 272
11.2 電化學合成和錶面膜的形成 274
11.3 膜的形成與附著力促進劑 276
11.4 氧化還原過程中的離子運輸 278
11.4.1 使用QCMB分析氧化還原循環反應 278
11.5 膜的光電和特性 281
11.5.1 導電聚合物的阻抗 281
11.5.2 中性屬性 283
11.5.3 光電化學性質 286
11.5.4 極化子-雙極化子導電聚合物模型 287
11.5.5 光譜電化學方法 288
11.6 共聚 289
11.6.1 共聚機理 291
11.6.2 共聚物的結構分析 293
11.6.3 共聚物的性質 299
11.7 固有導電性高聚物的腐蝕保護 300
11.7.1 膜形成在非惰性金屬上 300
11.7.2 腐蝕保護的動力學實驗 300
11.7.3 導電聚合物陰離子可能的腐蝕保護作用 301
參考文獻 302
第12章 納米電化學 307
12.1 進入原子尺度 307
12.2 共沉積 307
12.2.1 顆粒分散 307
12.2.2 ζ電勢的測定 310
12.2.3 ζ電勢和粒子特性的影響因素 311
12.2.4 金屬錶面特性 312
12.2.5 影響融合的工藝參數 313
12.2.6 機理模型 313
12.2.7 模型發展的一般概念 318
12.2.8 實例 321
12.3 組分可調多層膜 322
12.3.1 多層膜電鍍 322
12.3.2 多層膜的例子 324
12.4 核-殼復合材料 324
12.4.1 制備程序 324
12.4.2 顆粒特性：應用 325
參考文獻 325