時間：2023-03-10 14:50:52
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇電化學，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
一、以元素推斷等知識為切入點，滲透電化學內容，體現元素化合物與電化學知識的有機融合
為拓展考查知識的寬度，在對電化學知識命題時，常常結合元素推斷、物質推斷、氧化還原反應、化學反應速率等知識，以提高試題的綜合性。
例1 X、Y、Z、L、M五種元素的原子序數依次增大。X、Y、Z、L是組成蛋白質的基礎元素，M是地殼中含量最高的金屬元素。
回答下列問題：
（1）L的元素符號為______ ；M在元素周期表中的位置為__________________ ；五種元素的原子半徑從大到小的順序是__________________ （用元素符號表示）。
（2）Z、X兩元素按原子數目比l∶3和2∶4構成分子A和B，A的電子式為______，B的結構式為______ 。
只要路是對的，就不怕路遠。
欲望以提升熱忱，毅力以磨平高山。______
（3）硒（se）是人體必需的微量元素，與L同一主族，Se原子比L原子多兩個電子層，則Se的原子序數為______ ，其最高價氧化物對應的水化物化學式為______ 。該族2 ～ 5周期元素單質分別與H2反應生成1mol氣態氫化物的反應熱如下，表示生成1mol硒化氫反應熱的是______ （填字母代號）。
a.+99.7mol?L-1
b.+29.7 mol?L-1
c.-20.6mol?L-1
d.-241.8 kJ?mol-1
（4）用M單質作陽極，石墨作陰極，NaHCO3溶液作電解液進行電解，生成難溶物R，R受熱分解生成化合物Q 。寫出陽極生成R的電極反應式：____________ ；由R生成Q的化學方程式：__________________。
命題立意：本題以元素的推斷為背景，綜合考查了元素符號的書寫、元素位置的判斷和原子半徑大小的比較；考查了電子式、結構式的書寫，元素周期律，和電極反應式、化學方程式的書寫，是典型的學科內綜合試題。
解析：（1）X、Y、Z、L是組成蛋白質的四種元素且原子序數依次增大，故分別為：H、C、N、O元素；M是地殼中含量最高的元素，為Al，其在周期表的位置為第3周第ⅢA族；再根據五種元素在周期表的位置，可知半徑由大到小的順序是：Al>C>N>O>H。
（2）N和H 1∶3構成的分子為NH3，電子式為；2：4構成的分子為N2H4，其結構式為。
（3）Se比O多兩個電子層，共4個電子層，14電子層上的電子數分別為：2、8 、18、6，故其原子序數為34；其最高價氧化物對應的水化物的化學式類似H2SO4，為H2SeO4。
非金屬性越強，與氫氣反應放出的熱量越多，故25周期放出的熱量依次是：d、c、b、a，則第四周期的Se對應的是b。
（4）Al作陽極失去電子生成Al3+，Al3++3HCO-3Al（OH）3+3CO2，2Al（OH）3ΔAl2O3+3H2O。
答案：（1）O 第三周第ⅢA族 Al>C>N>O>H
（2）
（3）34 H2SeO4 b
（4） Al-3e-Al3+
Al3++3HCO-3Al（OH）3+3CO2
2Al（OH）3ΔAl2O3+3H2O。
二、以化學實驗知識為切入點，滲透電化學知識，體現電化學知識和化學實驗的有機融合
由于電化學知識在電極反應分析及電極反應式等知識中，會涉及電極材料、電解液中離子等性質的分析，因而在電化學考查中容易與化學實驗融合在一起。如電解質溶液的制備、凈化、電極反應產物的檢驗、電化學裝置設計等等，從而提高試題的綜合度，利于全面考查學生的基礎知識和靈活解答問題的能力。在崇尚知識立意，注重考查能力的命題原則下，相信該類試題會備受推崇。
例2 下圖是一個用鉑絲作電極，電解稀的MgSO4，電解液中加有中性紅指示劑，此時溶液呈紅色。（指示劑的PH變色范圍：6.8～8.0，酸色―紅色，堿色―黃色）
回答下列問題：
（1）下列關于電解過程中電極附近溶液顏色變化的敘述正確的是____________（填編號）；
①A管溶液由紅變黃； ② B溶液由紅變黃 ③ A管溶液不變色 ④B管溶液不變色
（2）寫出A管中發生反應的反應式：____________________________________
（3）寫出B管中發生反應的反應式：____________________________________
（4）檢驗a管中氣體的方法是______________________________
（5）檢驗b管中氣體的方法是______________________________
（6）電解一段時間后，切斷電源，將電解液倒入燒杯內觀察到的現象是______ 。
解析：A管中的電極與外電源負極相連，做電解池的陰極，發生還原反應，電極反應式為2H++2e-=H2，A管中溶液的PH增大，堿性增強，溶液由紅色變黃色，剩余的OH-與Mg2+結合生成Mg（OH）2：Mg2++2OH-=Mg（OH）2。B管中的電極與外電源正極相連，做電解池的陽極，發生氧化反應，4OH-―4e-=2H2O+O2，溶液中OH-濃度減小，溶液酸性增強，顏色不發生變化。試管a中收集的氣體為H2，收集后靠近火焰，會聽到有爆鳴聲，管口有淡藍色火焰；試管b中收集的氣體為O2，收集后將帶火星的木條插入試管中，木條復燃。將電解后的溶液倒入燒杯中，會使陰陽兩極的電解液被重新混合均勻。MgSO4是活潑金屬的含氧酸鹽，電解的實質是電解水，在兩電極上分別產生H2和O2，同時兩極區分別生成Mg（OH）2和H2SO4，當混合后兩者反應重新生成MgSO4和水。
答案：（1）①④
（2）2H++2e-=H2（或2H2O+2e-=2OH-+H2） Mg2++2OH-=Mg（OH）2
（3）4OH-―4e-=2H2O+O2
（4）用拇指按住管口，取出試管，管口靠近火焰，放開拇指，有爆鳴聲，管口有淡藍色火焰。
（5）用拇指按住管口，取出試管正立，放開拇指，將帶有火星的木條插入試管內，木條復燃。
（6）溶液呈紅色，白色沉淀溶解（或大部分溶解）。
三、以新型化學電源為切入點，考查電化學知識
新型化學電源一般具有電壓穩定、比能量高、高能環保、經久耐用等特點，以新型化學電源為載體的化學試題，既能體現化學知識的實用性，又能體現化學命題的時代性、新穎性，使試題在考查化學知識的同時，又能較好的考查學生分析問題、解答問題的能力，這種命題情景趨勢將會繼續延續。
對電化學知識的考查主要集中在以下基本方面：
1.可充電電池放電時電極極性判斷及充電時與電源的連接
（1）放電時新型電池中負極材料元素化合價升高的物質發生氧化反應的物質物質
正極材料元素化合價降低的物質發生還原反應的物質物質
（2）可充電電池用完后充電時，原電池的負極與電源負極相連，原電池正極與電源正極相連。
2.可充電電池電極反應式的書寫
含淚播種的人一定能含笑收獲。
不是境況造就人，而是人造就境況。______
書寫可充電電池的電極反應式，一般都是先書寫放電的電極反應式。書寫放電的電極反應式時，可遵循三步：①標出總式中電子轉移的數目和方向，找出參與負極反應的物質；②寫出一個較容易書寫的電極反應式（書寫時注意溶液對電極產物的影響，即電極產物在該溶液中能否穩定存在）；③在電子守恒的基礎上，用總式減去寫出的電極反應式即可得另一電極反應式。
充電時電極反應式與放電時相反，充電的陽極反應式分為放電正極反應式，充電的陰極反應式分為放電負極反應式。
3.溶液中離子定向移動的判斷
放電時，陰離子移向負極，陽離子移向正極；充電時，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。
例3研究人員最近發現了一種“水”電池，這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量差別進行發電，在海水中電池總反應可表示為：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl，下列“水”電池在海水中放電時的有關說法正確的是（ ）
A.正極反應式：Ag+Cl--e-=AgCl
B.每生成1molNa2Mn5O10轉移2mol電子
C.Na+不斷向“水”電池的負極移動
D.AgCl是還原產物
考點：電極反應和電池反應方程式；原電池和電解池的工作原理。
解析：根據電池總反應可判斷出反應中Ag的化合價升高，被氧化，Ag應為原電池的負極，AgCl是氧化產物；方程式中5MnO2生成1Na2Mn5O10，化合價共降低了2價，所以每生成1molNa2Mn5O10轉移2mol電子；在原電池中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動，以形成閉合電路。
A項，根據電池總反應：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl，可判斷出Ag應為原電池的負極，負極發生反應的電極方程式為：Ag+Cl--e-=AgCl，故A錯；B項，根據方程式中5MnO2生成1Na2Mn5O10，化合價共降低了2價，所以每生成1molNa2Mn5O10轉移2mol電子，故B正確；C項，在原電池中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動，故C錯；D項，反應中Ag的化合價升高，被氧化，Ag應為原電池的負極，AgCl是氧化產物，故D錯。
一、知識體系構建
1.原電池、電解池、電鍍池的比較
原電池電解池電鍍池
定義把化學能轉化為電能的裝置把電能轉化為化學能的裝置應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的裝置
裝置舉例
形成條件①有兩個活潑性不同的電極。
②有電解質溶液。
③電極間形成閉合回路（或在溶液中接觸）
①有外加電源及與之相連的兩個電極。
②有電解質溶液(或熔化的電解質)。
③形成閉合回路
①鍍層金屬接電源正極，待鍍金屬接電源負極。
②電鍍液必須含有鍍層金屬離子（電鍍過程中濃度不變）
電極名稱負極：較活潑的金屬（電子流出的極）
正極：較不活潑的金屬（或能導電的非金屬）（電子流入的極）
陽極：與電源正極相連的電極
陰極：與電源負極相連的電極名稱與電解池相同，但有限制條件：陽極――鍍層金屬，陰極――待鍍金屬
電極反應負極：氧化反應
正極：還原反應
陽極：氧化反應
陰極：還原反應
陽極：金屬電極失電子溶解
陰極：電鍍液中的金屬陽離子得電子
電子流向
負極導線正極
電源負極導線陰極
電源正極導線陽極
與電解池相同
（1）同一原電池的正、負極的電極反應中得、失電子數相等；（2）同一電解池的陰、陽極的電極反應中得、失電子數相等；（3）串聯電路中的各個電極反應得、失電子數相等。這三個相等，既是寫電極反應式的依據之一，也是進行電化學計算的依據之一。
2.原電池的常見類型
根據電極材料活潑性和反應情況的不同，可將原電池分成不同類型。
（1）在金屬―金屬構成的原電池中，相對活潑的金屬一般作負極，被氧化，生成金屬陽離子；相對不活潑的金屬一般作正極，溶液中的陽離子被還原（一般被還原為單質）。
例如，電池ZnH2SO4Cu的反應式：
負極 Zn-2e-Zn2+
正極 2H++2e-H2
總反應 Zn+2H+Zn2++H2
（2）在金屬―非金屬構成的原電池中，非金屬電極（如石墨），一般只起導電作用，故作正極；金屬電極作負極。
例如，電池FeH2SO4C的反應式：
負極 Fe-2e-Fe2+
正極 2H++2e-H2
總反應 Fe+2H+Fe2++H2
（3）在金屬―金屬氧化物構成的原電池中，金屬氧化物中的金屬元素已是最高（或較高）價態，難被氧化，故作正極，并直接參與還原反應；金屬電極作負極。
例如，電池ZnKOHAg2O（銀鋅紐扣電池）的反應式：
負極 Zn+2OH--2e-ZnO+H2O
正極 Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-
總反應 Zn+Ag2OZnO+2Ag
（4）用兩個惰性電極作為電極的燃料電池，通有還原性氣體的電極為負極，通有氧化性氣體的電極為正極。如氫氧燃料電池，其電極為可吸附氣體的惰性電極，如鉑電極、活性炭等，兩極分別通入H2和O2，以40%的KOH溶液為電解質溶液，反應式為：
負極 2H2+4OH--4e-4H2O
正極 O2+2H2O+4e-4OH-
總反應 2H2+O22H2O
3.金屬的腐蝕和防護
（1）金屬的腐蝕
金屬的腐蝕分化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。
化學腐蝕電化學腐蝕
定義金屬與接觸到的物質直接發生化學反應而引起的腐蝕不純的金屬與電解質溶液接觸時發生原電池反應而引起的腐蝕
條件金屬與非電解質等直接接觸不純的金屬或合金與電解質溶液接觸
電子得失金屬直接把電子轉移給有氧化性的物質其中的活潑金屬將電子間接轉移給氧化性較強的物質
現象無電流產生有微弱的電流產生
本質金屬被氧化的過程較活潑金屬被氧化的過程
實例金屬與O2、Cl2等物質直接反應鋼鐵在潮濕的空氣中被腐蝕
相互關系化學腐蝕與電化學腐蝕往往同時發生，但電化學腐蝕更為普遍，危害也更嚴重
（2）鋼鐵的電化學腐蝕原理
鋼鐵長時間在干燥空氣中不易腐蝕，但在潮濕的空氣里易被腐蝕。原因是鋼鐵表面會吸附一層水膜，這層水膜中含有少量的H+、OH-，還溶解了少量的CO2、O2等，即在鋼鐵表面形成了一層電解質溶液，鐵和碳構成了微原電池。
①吸氧腐蝕：此時電解質溶液酸性較弱，呈中性或堿性。
負極 2Fe-4e-2Fe2+
正極 2H2O+O2+4e-4OH-
總反應 2H2O+O2+2Fe2Fe(OH)2
在空氣中，4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3，Fe(OH)3失水而成鐵銹Fe2O3•xH2O。
②析氫腐蝕：此時電解質溶液的酸性較強。
負極 Fe-2e-Fe2+
正極 2H++2e-H2
總反應 Fe+2H+Fe2++H2
一般情況下，鋼鐵的腐蝕以吸氧腐蝕為主，吸氧腐蝕和析氫腐蝕的主要區別在于正極反應。
（3）金屬的防護
金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕中的吸氧腐蝕，只要減少形成原電池三個條件中的一個，就可防止原電池反應的發生。
①內因：改變金屬內部結構。
②外因：采用適當方法將金屬與介質（主要指電解質溶液）隔離，如噴漆、涂油、電鍍、表面鈍化等。
③電化學保護法：如船體外殼嵌鋅，將鋼鐵外殼與鋅人為的構成原電池，腐蝕鋅，保護船體?；蛲饧与娫?，使被保護的金屬與電源的負極相連，成為陰極而被保護。
二、復習方法指導
通過氧化還原反應，實現化學能和電能的相互轉化，這就是電化學的基本原理。要復習好這部分內容，應注意以下問題。
1.聯系氧化還原反應
能自發進行的氧化還原反應在理論上都能設計成原電池，電解是非自發的氧化還原反應；將氧化還原反應方程式拆成氧化反應和還原反應的兩個半反應就是電極反應，原電池的負極和電解池的陽極都發生氧化反應（負陽氧：諧音“沸羊羊”）；離子氧化性和還原性的強弱決定了電解時溶液中離子的放電順序；電子得失守恒規律是進行電化學計算的基本依據。
2.對比容易混淆的知識
準確理解概念是學好化學的基礎，本章有很多容易混淆的概念，需要對比復習。除了前面對比過的“三池”（原電池、電解池和電鍍池）、化學腐蝕和電化學腐蝕、析氫腐蝕和吸氧腐蝕外，還有很多可以進行對比的知識點。例如，氫氧燃料電池在不同性質的電解質條件下電極方程式的寫法，電解池在惰性電極下和非惰性電極下的放電規律，原電池和電解池的電極判斷和電極反應類型，等等。只有不斷進行對比，才可以澄清學習中的模糊認知，加深對知識的理解。
3.歸納重要規律或方法
善于總結一些實用的解題規律或方法，對于提高復習的效率至關重要。
（1）原電池、電解池和電鍍池的判斷規律
①若無外接電源，則可能是原電池，然后依據原電池的形成條件判定，主要思路是“三看”：
先看電極，兩種活潑性不同的金屬（或其中一種是非金屬導體）作電極。
再看溶液，在電解質溶液中能自發地發生氧化還原反應。
后看回路，用導線連接的兩電極與電解質溶液接觸并形成閉合回路。
②若有外接電源，兩極插入電解質溶液中，則可能是電解池或電鍍池，若陽極金屬與電解質溶液中的金屬離子相同則為電鍍池。
③若為無明顯外接電源的串聯電路，則利用題中信息，能找出發生自發氧化還原反應的裝置為原電池。
（2）酸、堿、鹽溶液的電解規律
用惰性電極電解酸、堿、鹽的溶液時，可按下列步驟進行分析。
通電之前找離子：分析電解質溶液中有關物質的電離過程（包括電解質和水的電離），找出溶液中存在的所有離子。
通電之后四判斷：
①判斷離子的移動方向，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。
②判斷離子的放電能力。
陽極――金屬陽極＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根＞F-；
陰極――Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞…。
③判斷電極反應，書寫電極反應式和總反應式。
④判斷電解結果，兩極現象、水的電離平衡結果、離子濃度、溶液的酸堿性、pH變化等。
酸、堿、鹽溶液的電解規律
類型電極反應特點實例電解對象電解質濃度 pH電解質溶液復原
電解水型陰極：2H++2e-H2
陽極：4OH--4e-2H2O+O2NaOH水增大增大加水
H2SO4水增大減小加水
Na2SO4水增大不變加水
分解電解質型電解質電離出的陰、陽離子分別在兩極放電HCl電解質減小增大通HCl
CuCl2電解質減小-加CuCl2
放氫生堿型陰極：H2O電離出的H+得電子，放出H2生成堿
陽極：電解質的陰離子放電NaCl電解質和水 生成新電解質增大通入HCl
放氧生酸型陰極：電解質的陽離子放電
陽極：H2O電離出的OH-失電子，放出O2生成酸CuSO4電解質和水 生成新電解質減小加CuO
（3）原電池電極反應式的書寫方法
①列物質，標得失：按照負極發生氧化反應、正極發生還原反應，判斷出電極反應產物，標出得失電子的數量。
②看環境，配守恒：電極產物在電解質溶液的環境中，應能穩定存在，如堿性介質中生成的H+應讓其結合OH-生成水。電極反應式要根據電荷守恒、質量守恒、電子守恒等加以配平。
③兩式加，驗總式：將兩電極反應式相加，與總反應的離子方程式對照驗證。
（4）可充電電池的判斷方法
二次電池放電時相當于原電池，負極發生氧化反應，正極發生還原反應；充電時相當于電解池，放電時的正極變為電解池的陽極，與外電源正極相連，負極變為陰極，與外電源負極相連。
（5）金屬腐蝕的快慢規律
①在同一電解質溶液中，金屬腐蝕的快慢順序：電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學腐蝕＞有防腐措施的腐蝕。
②同一金屬在不同介質中腐蝕由快到慢的順序：強電解質溶液＞弱電解質溶液＞非電解質溶液。
③對于活動性不同的兩種金屬，活動性差別越大，氧化還原反應速率越快，活潑金屬腐蝕速率越快。
④對于同一電解質溶液，電解質溶液濃度越大，金屬腐蝕越快（鈍化除外）。
⑤純度越高的金屬，腐蝕的速率越慢（純金屬幾乎不被腐蝕）。
⑥不純的金屬或合金，在潮濕的空氣中腐蝕的速率遠大于在干燥、隔絕空氣條件下的腐蝕。
（6）電解計算的方法
有關電解的計算通常是求電解后某產物的質量、氣體的體積、某元素的化合價以及溶液的pH、物質的量濃度等。解答此類題的方法有兩種：一是根據電解方程式或電極反應式列比例式求解；二是利用各電極、線路中轉移的電子數目守恒列等式求解。利用電子守恒較為簡便，但需注意靈活運用。
三、易錯知識辨析
1.原電池的電極和電極反應
（1）從不同的角度分析，對原電池的電極類型可以有不同的理解：負極是較活潑的金屬，發生氧化反應的一極，電子豐富的一極，電子流出的一極，電流流入的一極，被腐蝕的一極；正極相應是較不活潑的金屬，發生還原反應的一極，電子貧乏的一極，電子流入的一極，電流流出的一極，被保護的一極。
（2）原電池正、負極的判斷基礎是自發進行的氧化還原反應，如果給出一個方程式判斷正、負極，可以直接根據化合價的升降來判斷。不管原電池的類型如何，不管電極是否參與反應，發生氧化反應的一極總是負極，發生還原反應的一極總是正極。把握了這一點，便可以做到以不變應萬變。
（3）判斷電極時，不能簡單地依據金屬的活潑性來判斷，要看反應的具體情況。例如，Al在強堿性溶液中比Mg更易失電子，Al作負極，Mg作正極；Fe、Al在濃硝酸中鈍化后，比Cu等金屬更難失電子，Cu等金屬作負極，Fe、Al作正極。
（4）燃料電池和普通電池不同，必須使用輔助電極，電極本身不參與反應，所采用的燃料一般為H2、CH4、CH3OH、CO等，助燃劑一般為O2（或空氣）。
（5）原電池中正、負極的電極反應式作為一種特殊的離子方程式，對于強、弱電解質的書寫形式，沒有嚴格的規定，但必須遵循原子守恒和電荷守恒規律。
2.電解原理及其應用
（1）用惰性電極電解飽和食鹽水時，Na+和水電離出的H+移向陰極，H+發生還原反應生成H2：2H++2e-H2，破壞了水的電離平衡（H2OH++OH-），導致陰極附近溶液中的c(OH-)＞c(H+)，溶液顯堿性。由此可見，電解前如果向溶液中滴入酚酞試液，電解時陰極附近的溶液先變紅。
（2）電解后要恢復原電解質溶液的濃度，需加適量的某物質。該物質可以是陰極與陽極產物的化合物，如用惰性電極電解CuSO4溶液，要恢復原溶液的濃度，可向電解后的溶液中加入CuO，也可以加入CuCO3，但不能加入Cu(OH)2，因為Cu(OH)2與生成的H2SO4反應后使水量增加。
（3）粗銅中往往含有鋅、鐵、鎳、銀、金等多種金屬雜質，當含雜質的銅在陽極不斷溶解時，金屬活動性位于銅之前的金屬雜質，如鋅、鐵、鎳等也會同時失去電子，但是它們的陽離子比銅離子難以還原，所以它們并不能在陰極析出，而只能以離子的形式留在電解液里；金屬活動性位于銅之后的銀、金等雜質，因為失去電子的能力比銅弱，難以在陽極失去電子變成陽離子而溶解，所以當陽極的銅失去電子變成陽離子溶解之后，它們便以金屬單質的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥。由此可知，電解精煉時，陽極溶解銅的量大于陰極析出銅的量。
（4）可充電電池放電時作原電池，充電時作電解池，兩池的電極反應式正好相反，即電解池的陰極反應式對應于原電池的負極反應的逆反應式，電解池的陽極反應式對應于原電池正極反應的逆反應式，但電解池反應與原電池反應并不是相應的可逆反應。
四、考情分析預測
高考對電化學知識的考查，常見題型是選擇和填空。這部分的考點主要集中在如下幾個方面：（1）原電池、電解池、電鍍池的電極名稱及電極反應式；（2）新型電池的電極反應以及工作原理；（3）根據電解時的電極變化，判斷電極材料、電解質的種類或如何使電解質溶液復原；（4）有關電解產物的判斷和計算；（5）金屬的電化學腐蝕原理與防護；（6）電化學知識在能源、環保、物質制備等方面的綜合應用。
受試卷含量的限制，化學考試越來越重視試題的綜合性。電化學內容是進行綜合命題的重要素材，與之相關的綜合題預計在今后的高考中會有更多的體現。其常見綜合形式有：將原電池和電解池結合在一起，綜合考查化學反應中的能量變化和氧化還原反應等知識；將電化學內容與無機推斷或化學實驗等進行綜合；以環境問題、物質制備、新能源、新科技等為載體，考查電化學知識在生產、生活中的應用。
五、考試熱點例析
1.判斷裝置的類型
例1.某化學興趣小組的同學用下圖所示裝置研究電化學的問題。當閉合該裝置中的電鍵時，觀察到電流計的指針發生了偏轉。下列有關說法不正確的是（ ）
A.甲裝置是原電池，乙裝置是電解池
B.當甲中產生0.1mol氣體時，乙中析出固體的質量為6.4g
C.實驗一段時間后，甲溶液的pH增大，乙溶液的pH減小
D.將乙中的C電極換成銅電極，則乙裝置可變成電鍍裝置
解析：Zn、Cu電極和稀硫酸溶液可構成原電池，其中Zn是負極，Cu是正極；乙裝置是電解池，C為陰極，Pt為陽極。當甲中產生0.1molH2時，電路中通過0.2mol電子，乙中電解得到0.1molCu，質量為6.4g。實驗一段時間后，甲溶液中的c(H+)減小，pH增大；乙溶液中的c(H+)增大，pH減小。乙中的C電極是陰極，將其換成銅電極，該裝置不是電鍍裝置。
答案：D
2.判斷電極和電極反應
例2.如圖，E為沾有Na2SO4溶液的濾紙，并加入幾滴酚酞。A、B分別為Pt片，壓在濾紙兩端，R、S為電池的電極。M、N是多微孔Ni的電極材料，它在堿溶液中可以視為惰性電極。G為電流計，K為開關。C、D和電解池中都充滿濃KOH溶液。若在濾紙中央點上一滴紫色的KMnO4溶液，K打開，接通電源一段時間后，C、D中有氣體產生。
（1）R為 （填“正”或“負”）極。
（2）A附近溶液的現象是 ，B附近發生的電極反應式為 。
（3）濾紙上的紫色點向哪方移動： （填“A”或“B”）。
（4）當C、D里的氣體產生到一定量時，切斷外電源并接通開關K，經過一段時間，C、D中氣體逐漸減少，C中的電極為 （填“正”或“負”）極，電極反應式為 。
解析：電解KOH溶液就是電解水，兩極分別產生H2和O2，因為相同條件下產生H2的體積是O2體積的兩倍，所以C管中收集到的是H2，D管中收集到的是O2。
（1）H2是在陰極產生的，所以M是陰極，與之相連的R是電源的負極。
（2）B是電解池的陽極，A是電解池的陰極。電解Na2SO4溶液也是電解水，電解時H+移動到A極得電子被還原為H2，破壞了A極附近水的電離平衡，導致A極附近溶液顯堿性，使酚酞試液變紅。B極OH-被氧化，放出O2。
（3）KMnO4中，紫紅色的MnO-4向陽極移動。
（4）當C、D里的氣體產生到一定量時，切斷外電源并接通開關K，此時裝置變為燃料電池。經過一段時間，C、D中氣體逐漸減少，H2和O2反應生成水，在堿性條件下，C中H2發生氧化反應。
答案：（1）負 （2）溶液變紅 4OH--4e-2H2O+O2 （3）B （4）負 2H2+4OH--4e-4H2O
3.書寫電極方程式
例3.燃料電池是一種效率高的新型電池，請根據要求回答下列問題。
（1）某種氫氧燃料電池的電解液為KOH溶液，該電池的正極反應式為 。
（2）一種燃料電池中發生化學反應：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳。該電池負極發生的電極方程式為 。
（3）某燃料電池以CO為燃料，以空氣為氧化劑，以熔融態K2CO3為電解質。寫出該燃料電池的總反應式、正極和負極的電極反應式： 。
（4）最近，科學家制造出一種使用固體電解質的燃料電池，其效率很高。一個電極通入空氣，另一個電極通入汽油蒸汽。其中固體電解質是摻雜了Y2O3（Y：釔）的ZrO2（Zr：鋯）固體，它在高溫下能傳導O2-（其中氧化反應發生完全）。
①以丁烷代表汽油，這類電池放電時，發生反應的化學方程式是 。
②這類電池正極的電極反應式是 ，負極的電極反應式是 ，向外電路輸出電子的電極是 。
③放電時，固體電解質里的O2-向 （填“正”或“負”）極移動。
解析：燃料電池的電極只起導電作用，一般不參與電極反應。在負極上發生反應的氣體一定是可燃性氣體（H2、CH4、CO、CH3OH等），失電子發生氧化反應；在正極上發生反應的氣體是O2或空氣，得電子發生還原反應。書寫電極反應式時，一定要注意電解質的性質：電解質溶液的酸堿性、固體電解質能傳導的離子的種類等。
（1）因為該電池的電解液為KOH溶液，所以在正極O2被還原應生成OH-。
（2）原電池的負極發生氧化反應，該燃料電池負極通入的氣體應是CH3OH，電池的總反應式為2CH3OH+3O24H2O+2CO2；酸性條件下的正極反應式為O2+4e-+4H+2H2O，即3O2+12e-+12H+6H2O，將總反應式減去正極反應式消去O2即得負極反應式。
（3）該電池的總反應式為CO+12O2CO2，因為電解質為熔融態K2CO3，所以電池中是K+和CO2-3導電，正極反應式為CO2+12O2+2e-CO2-3，用總反應式減去正極的電極反應式得到負極的電極反應式：CO+CO2-3-2e-2CO2。
（4）在固體電解質燃料電池中，電解質在高溫下能傳導O2-，所以O2被還原的產物為O2-，正極反應式為13O2+52e-26O2-；用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。不管是哪種電池，負極總是向外電路輸出電子的一極，陰離子向負極移動。
答案：（1）O2+2H2O+4e-4OH- （2）CH3OH+H2O-6e-CO2+6H+ （3）正極：CO2+12O2+2e-CO2-3 負極：CO+CO2-3-2e-2CO2 總反應式：CO+12O2CO2 （4）①2C4H10+13O28CO2+10H2O ②13O2+52e-26O2- 2C4H10+26O2--52e-8CO2+10H2O 負 ③負
4.分析新型電池
例4.研究人員最近發現了一種“水”電池，這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量的差別進行發電，在海水中電池的總反應可表示為5MnO2+2Ag+2NaClNa2Mn5O10+2AgCl。下列“水”電池在海水中放電時的有關說法正確的是（ ）
A.正極反應式：Ag+Cl--e-AgCl
B.每生成1molNa2Mn5O10轉移2mol電子
C.Na+不斷向“水”電池的負極移動
D.AgCl是還原產物
解析：由電池的總反應式可知，放電時銀失去電子，被氧化得到氧化產物，即銀作負極，產物AgCl是氧化產物，A、D都不正確；在原電池中，陽離子在正極得電子發生還原反應，所以陽離子向電池的正極移動，C錯誤；每生成1molNa2Mn5O10時消耗2molAg，轉移2mol電子，B項正確。
答案：B
5.二次電池的充放電
例5.Li―SO2電池具有輸出功率高和低溫性能好等特點。其電解質是LiBr，溶劑是碳酸丙烯酯和乙腈，電池反應式為2Li+2SO2放電充電Li2S2O4，下列說法正確的是（ ）
A.該電池反應為可逆反應
B.放電時，Li+向負極移動
C.充電時，陰極反應式為Li++e-Li
D.該電池的電解質溶液可以換成LiBr的水溶液
解析：該電池的放電反應和充電反應分別是在不同條件下發生的反應，不是可逆反應；放電時是原電池，Li+向正極移動；充電時是電解池，陰極發生還原反應，反應式為Li++e-Li；Li是較活潑金屬，能與水發生反應，因此電池的電解質溶液不能換成LiBr的水溶液。
答案：C
6.電鍍和電冶原理
例6.以KCl和ZnCl2的混合液為電鍍液，在鐵制品上鍍鋅，下列說法正確的是（ ）
A.未通電前上述鍍鋅裝置可構成原電池，電鍍過程是該原電池的充電過程
B.因部分電能轉化為熱能，電鍍時通過的電量與鋅的析出量無確定關系
C.電鍍時保持電流恒定，升高溫度不改變電解反應速率
D.鍍鋅層破損后對鐵制品會失去保護作用
解析：在鐵上鍍鋅時，鐵作陰極，鋅作陽極；未通電前可構成原電池，此時鋅作負極失去電子，鐵作正極，而電鍍時鋅仍然失電子，A項錯誤。在氧化還原反應中必須滿足得失電子守恒規律，因此電鍍時通過的電量與鋅的析出量有確定關系，B項錯誤。電鍍時保持電流恒定，則導線中通過的電子速率是不變的，升高溫度不能改變電解反應速率，C項正確。鍍鋅層破損后，由于鋅比鐵活潑，所以即使發生電化學腐蝕也是鋅失去電子而保護了鐵，D項錯誤。
答案：C
7.電化學實驗探究
例7.某實驗小組利用飽和食鹽水、導線、直流電源（用“”或“”表示）、燒杯、靈敏電流計（用“”表示）和兩個電極棒（分別是M、N）進行電化學實驗設計和探究。
甲同學安裝好儀器，接好直流電源通電幾分鐘，發現M處溶液逐漸變淺綠色，過一段時間，溶液變得渾濁且逐漸出現紅棕色。
乙同學所用的儀器和甲同學的看上去相同，但接好直流電源通電幾秒鐘，卻聞到一股刺鼻的氣味，馬上停止通電。
丙同學安裝好儀器，線路閉合幾秒鐘后，卻沒有明顯現象產生，他又很快接入靈敏電流計，發現電流計的指針發生了偏轉。
請根據上述同學的實驗現象回答以下問題。
（1）M電極棒材料是 ，N電極棒材料是 （寫化學式）。
（2）在下列虛框內完成對應三位同學的裝置圖。
（3）按下表要求寫出乙、丙兩位同學實驗過程中涉及的反應方程式。
要求乙丙
M電極方程式①④
N電極方程式②⑤
總反應方程式離子方程式③：化學方程式⑥：
（4）用化學方程式解釋，甲同學實驗時M處溶液出現渾濁后轉為紅棕色的原因： 。
（5）丙同學為了保護M電極不被腐蝕，他可以將N電極棒更換為 （寫化學式）。為驗證該防護方法有效，他又做下列對比實驗：接通電路2分鐘后，分別在M電極區滴入幾滴NaOH溶液，發現沒有更換N電極棒的燒杯中的現象是 。他還可選用的檢驗試劑是 。
解析：本題綜合考查原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護等知識，根據實驗現象正確判斷電極類型和電極反應是解題的關鍵。
（1）從甲同學的實驗現象看，M電極是鐵，電解時鐵被氧化，即M電極是陽極；乙同學的實驗中得到的氣體是Cl2，被氧化的是Cl-，則陽極N是惰性電極。
（2）甲實驗中M電極作陽極，連在直流電源的正極上；乙實驗中M電極作陰極，連在直流電源的負極上；丙實驗不是電解，但實驗中產生了電流，所以丙裝置是原電池，接入電流表即可。
（3）乙實驗是用惰性電極電解飽和食鹽水，丙實驗的反應原理相當于是鐵的吸氧腐蝕。
（4）甲實驗中發生電極反應：Fe-2e-Fe2+（陽極），2H++2e-H2（陰極），總反應式為Fe+2H2O電解Fe(OH)2+H2。Fe(OH)2很不穩定，易被空氣中的氧氣氧化為紅褐色的Fe(OH)3：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3。
（5）要使M電極不被腐蝕，應將N電極換成比鐵活潑的金屬。沒有更換N電極棒的燒杯中，Fe被氧化為Fe2+，只要加入能與Fe2+反應且產生明顯實驗現象的物質，都能達到檢驗出Fe2+的要求。
答案：（1）Fe C（或Pt等惰性電極） （2） （3）①2H++2e-H2 ②2Cl--2e-Cl2 ③2Cl-+2H2O電解Cl2+H2+2OH- ④Fe-2e-Fe2+ ⑤O2+2H2O+4e-4OH- ⑥2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2 （4）4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （5）Zn（合理即可） 溶液中產生白色沉淀，沉淀隨即變成灰綠色，最后變成紅褐色 酸性KMnO4溶液（或KSCN溶液和氯水）
8.電化學知識綜合運用
例8.電浮選凝聚法是工業上采用的一種污水處理方法：保持污水的pH在5.0～6.0之間，通過電解生成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物而沉積下來，具有凈化水的作用。陰極產生的氣泡把污水中的懸浮物帶到水面形成浮渣層，刮去（或撇掉）浮渣層，即起到浮選凈化的作用。某科研小組用電浮選凝聚法處理污水，設計裝置圖如下：
（1）實驗時若污水中離子濃度較小，導電能力較差，產生氣泡速率緩慢，無法使懸浮物形成浮渣。此時，應向污水中加入適量的 。
a.H2SO4b.BaSO4
c.Na2SO4d.NaOH
e.CH3CH2OH
（2）電解池陽極的電極反應分別是① ，②4OH--4e-2H2O+O2。
（3）電極反應①和②的生成物反應得到Fe(OH)3沉淀的離子方程式是 。
（4）熔融鹽燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質，以CH4為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極。已知負極的電極反應式是CH4+4CO2-3-8e-5CO2+2H2O。
①正極的電極反應式是 。
②為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定。為此，電池工作時必須有部分A物質參加循環。則A物質是 （用化學式表示）。
（5）實驗過程中，若在陰極產生了44.8L（標準狀況）氣體，則熔融鹽燃料電池消耗CH4（標準狀況） L。
解析：（1）酸與電極發生反應，NaOH溶液與電極鋁發生反應，BaSO4難溶于水，乙醇是非電解質，都不宜加入。加入Na2SO4可增強溶液的導電能力，電解Na2SO4溶液即是電解水。
（2）陽極是鐵，電解時鐵被氧化為Fe2+；陰極水電離產生的H+放電生成H2和OH-。
（3）Fe2+與OH-反應生成的Fe(OH)2沉淀被氧氣氧化為Fe(OH)3。
（4）此燃料電池的總反應式為CH4+2O2CO2+2H2O，用總反應式減去負極反應式即得正極反應式。參加循環的A物質是CO2。
[關鍵詞] 電化學 氧化還原反應 判斷
在高二接觸電化學的時候,老師都是通過氧化還原結合電學來幫助學生理解電化學,而后將其歸納為各種各樣的口訣幫助學生運用。雖然這樣可以幫助不少學生在沒有完全理解電化學的基礎上運用最基礎的知識,但是到了高三就不行了。高考是能力和知識的結合考察,光靠背口訣來解題是不夠的,我們還是要回歸知識點本身,理解后才能更好地運用。特別是2009年的高考題(全國卷Ⅱ)還考察了15分的大題。所以,一定要幫助學生盡快真正理解電化學。
在這方面我試驗了很多種方法,最后從學生反饋來看最好的方法還是從電學的基礎來。因為學生從初中開始就接觸電學,他們對電學的電路中最基本的知識有很深的記憶和理解。所以我,采取了以下的方式。
一、學生都非常清楚電流是從正極流到負極,電子是從負極流到正極,所以,先讓學生將電子的流向明確。如下題:
10.(2007年全國理綜卷Ⅱ在盛有稀H2SO4的燒杯中放入用導線連接的鋅片和銅片,下列敘述正確的是()
(A)正極附近的SO42-離子濃度逐漸增大
(B)電子通過導線由銅片流向鋅片
(C)正極有O2逸出
(D)銅片上有H2逸出
[答案]D
分析:這是一道原電池的題,對于這種題首先找到總反應,因為原電池的反應是自發的氧化還原反應。電子從負極流出,回到正極,所以從得失電子的角度將總反應分成失電子的負極反應和得電子的正極反應。
總反應:H2SO4+Zn==ZnSO4+H2
負極反應:Zn-2e-=Zn2+
正極反應:2H++2e-=H2
所以鋅做負極,銅做正極,電子從鋅片流向銅片,正極有氫氣逸出,氫離子靠向正極,硫酸根靠向負極。
二、在學生的氧化還原反應的基礎上,判斷反應物,并結合電子流向寫出方程式。如下題:
11.(2005年全國一卷)關于電解NaCl水溶液,下列敘述正確的是
A、若在陰極附近的溶液中滴入酚酞試液,溶液呈無色
B、若在陽極附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕色
C、電解時在陽極得到氯氣,在陰極得到金屬鈉
D、電解一段時間后,將全部電解液轉移到燒杯中,充分攪拌后溶液呈中性
[答案]B
分析:這是電解池的題。同樣的分析方式:電子從負極出發,到達陰極,電子從陽極出發回到正極;在溶液中沒有電子存在,陽離子在陰極得電子,活潑電極或陰離子在陽極失電子代替電子在溶液中定向移動形成電流。
如果更形象的比喻就是,電子通過導線到了陰極,沒路了,這時陽離子就出現了,它很熱情的接走了電子,同時活潑電極或陰離子在陽極,同樣積極地拿出電子,讓電子沿導線回正極,形成閉合回路。這樣在電學的思維中,溶液中陰陽離子在兩極發生氧化還原反應代替電子進行定向移動形成電流。而且電子的得失也就非常容易理解了。陽離子在陰極得電子發生還原反應;活潑電極或陰離子在陽極失電子發生氧化反應。
這題是電解NaCl水溶液的,陽離子是Na+和H+陰離子是 Cl-和OH-,通過氧化還原的知識分析可知放電順序是H+Na+
Cl-OH-,所以在陰極得電子的是H+,在陽極失電子的是Cl-
陰極反應:2H++2e-=H2
陽極反應:2Cl―-2e-=Cl2
總反應:2NaCl+ 2H2O電解H2+ Cl2+2NaOH
在陰極因為H+得電子參加反應,不斷減少從而打破了水的電離平衡,促進水電離,產生更多的OH-,使陰極附近的溶液呈堿性,所以在陰極附近滴加酚酞試液,溶液呈紅色,同時逸出氫氣;而陽極逸出氯氣。
三、如果是要求進行計算,就在相應的方程式基礎上進行就好。如下題
9.(2006年全國卷Ⅰ)把分別盛有熔融的氯化鉀、氯化鎂、氯化鋁的三個電解槽串聯,在一定條件下通電一段時間后,析出鉀、鎂、鋁的物質的量之比為
A.1∶2∶3 B.3∶2∶1 C.6∶3∶1 D.6∶3∶2
[答案]D
分析:物理上的串聯指通過每一個電解槽的電子總數是一樣多的。所以基于這一點將電子總數設為1mol,設析出鉀Xmol,析出鎂Ymol,析出鋁Zmol.
反應: K+ + e-=K
11
Xmol1mol
X= 1mol
Mg2++ 2e- =Mg
12
Ymol1mol
Y = 1/2mol
Al3++ 3e- =Al
13
Zmol1mol
Z = 1/3mol
析出鉀,鎂,鋁的物質的量之比為1∶1/2∶1/3
即6∶3∶2
關鍵詞：原電池 電解池 可能 自發 強制
在高中原電池和電解池的電化學教學中，應根據教材原理將電化學知識講解透徹，否則會給學生造成錯誤的觀點。
一、電解池中的可能性
1.惰性電極可能反應
在電解池中一般認為惰性電極不參加反應，但工業上用石墨電極電解熔化的Al2O3制取鋁時的電極反應
陽極：6O2--12e = 3O2
陰極：4Al3+ + 12e = 4Al
在高溫下C能與O2反應：C+ O2 = CO2，故惰性電極石墨的惰性是相對的。
2.陽極可能參加反應
一般認為反應 Cu+H2SO4 = CuSO4+ H2是不能完成的，但在電解池中可以進行。以Cu作陽極，其它電極作陰極電解稀硫酸溶液，其電極反應為
陽極：Cu - 2e = Cu2+
陰極：2H+ + 2e = H2
但要注意的是，隨著電解的進行 C(H+) 逐漸減小，C(Cu2+)逐漸增大，電解的后階段變為電鍍。電極反應變為：
陽極：Cu - 2e = Cu2+
陰極：Cu2+ + 2e = Cu
故活性電極作陽極時要參加電極與電解反應。
3. 原子團可能放電
惰性電極電解溶液時，原子能團一般是OH-放電，但電解Na2SO3溶液時由于SO32-的還原性遠強于OH-，其電極反應是：
陽極:SO32--2e +H2O= SO42- +2H+
陰極:2H++2e = H2
總反應是：Na2SO3+ H2O = Na2SO4 + H2
4. 同一電極可能放出兩種氣體：
惰性電極電解NH4Cl溶液時，其電極反應是：
陽極：2Cl--2e = Cl2
陰極：2 H2O +2e = H2+2OH-
在陰極，隨著電解的進行會發生：NH4++ OH- = NH3+ H2O 總反應：2 NH4Cl = Cl2+2NH3+ H2
在陽極，隨著C(Cl-)的減小也可能發生2H2O -4e= O2+4H+
故陰極放出H2和NH3;陽極放出的Cl2中可能有O2。實際上惰性電極長時間電解溶液的最后階段都是電解水。
二、原電池的可能性
1. 不活潑電極可能作負極
在一般情況下，對于活性不同的兩個電極來說，由于活潑的一極比不活潑的一極更容易失去電子，從而活潑的一極的電勢往往要低于不活潑的一極，因此在原電池中一般情況下都做負極，但這種情況卻并不絕對，我們看下列兩組原電池
(1)鎂、鋁電極與NaOH溶液構成的原電池
總反應：2Al+2HO-+2 H2O =2AlO2-+3H2
負極：2Al-6e+8OH- = 2AlO2-+4H2O
正極：6 H2O +6e=3H2+6OH-
(2) 銅、鋁電極與濃硝酸構成的原電池由于鋁在濃硝酸中鈍化，總反應是：Cu+4HNO3= Cu(NO3)2 +2NO2+2H2O
負極：Cu-2e = Cu2+
正極：NO3-+2e-+4H+=NO2+2H2O
但要注意的是，隨著反應 (2) 的進行，總反應變為
2Al+3Cu(NO3)2 = 3Cu + 2Al(NO3)2
電極反應是負極：2Al- 6e = 2Al3+ 正極:3Cu2+ + 6e = 3Cu
從上兩例中我們可以看出原電池電極的確定還與電解質溶液有關，由于電解質溶液的不同可能使電極性質也不同，如上述裝置改用酸性稀溶液做介質，則活性強的鎂、鋁分別做負極。
2. 兩個電極可能相同
在一般情況下，對于只有活性不同的兩個電極來說，才能形成電勢差，也才能形成穩定的電流進而組成原電池，然而是否所有的原電池的電極的活性都要不同呢? 我們看下列一組原電池：
總反應：2H2+O2=2H2O
負極：2H2-4e = 4H+
正極：O2+4e+4H=2H2O
從上例中我們可以看出燃料電池的正、負極應由其通入的
氣體的性質來決定，其電極本身的活性不能作為其電極正負的判據，如在燃料電池中兩個電極的活性卻是可以相同的。
3. 兩個電極可能浸入不同電解質溶液中
在中學教材中出現的原電池裝置一般都是兩個電極浸入同一電解質溶液中形成原電池，致使很多同學都誤認為原電池裝置中的兩個電極一定要浸入同一電解質溶液中，然而在新教材僅出現了一次的丹尼爾電池(鹽橋)卻有力的說明了上述觀點的局限性。
總反應：Zn+Cu2+=Zn2++Cu
負極：Zn-2e=Zn2+
正極：Cu2+ + 2e=Cu
4. 氧化還原反應只可能設計成原電池
原電池的實質是把一個氧化還原反應的氧化反應和還原反應分別在兩個電極上進行，那么是否所有的氧化還原反應都能設計成原電池呢? 我們一起來看例題： 下列反應能設計成原電池的有( )
A. C+CO2=2CO
B. HCl + KOH = KCl + H2O
C. Cu + 2FeCl3 =2FeCl2 + CuCl2
D. 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
教學反饋發現很多同學都選擇了 A 和 C，他們的理由是這兩個反應都是氧化還原反應，然而并非所有的氧化還原都能設計成原電池，因為原電池的反應是化學能自發的轉化為電能的過程，因此原電池中進行的反應必須滿足如下條件即： 反應必須是氧化還原反應而且該反應必須是自發的氧化還原反應，因此本題的答案只有 C 。
三、教學反思
經過以上原電池和電解池的分析，我們在電化學教學中，老師應明確告訴學生：
1. 原電池反應是自發的氧化還原反應。在滿足形成原電池的條件(兩電極、電解質溶液、閉合)下，先正確的寫出自發的氧化還原反應方程式(原電池反應)并確定氧化劑和還原劑。 還原劑一定在負極上反應，氧化劑一定在正極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是原電池的負極，且正極與該金屬不同，如果還原劑不是金屬，則正負電極由其它電極代替且可相同。這樣，既可以根據原電池反應判斷正負極和書寫電極反應，也可以將自發的氧化還原反應設計成原電池。
例(1)將自發的反應3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O設計成原電池并寫出電極反應。
電池構成：Cu 作負極、Ag作正極、稀HNO3作電解質溶液。電極反應：負極 ( Cu-2e=Cu2+ )；
正極(NO3-+3e+4H+=NO+2 H2O)
2.電解池反應是強制的氧化還原反應。在滿足形成電解池的條件(電解質溶液導電)下，根據陽離子的氧化性順序、陽極活性及陰離子的還原性順序，正確的寫出電解池反應并確定氧化劑和還原劑。還原劑一定在陽極上反應，氧化劑一定在陰極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是電解池的陽極(陰極任選); 如果還原劑不是金屬，則陽極是惰性的(陰極任選)。這樣，既可以根據電解池反應判斷陰、陽極和書寫電極反應，也可以將溶液中或離子晶體熔化時不能自發的氧化還原反應設計成電解池反應。但要注意的是，惰性電極電解溶液時最后階段可能是電解水。
例(2)在溶液中實現 Fe+2H2O =Fe(OH)2+ H2的反應。
電解池構成：直流電源、Fe 作電極、 Na2SO4 作電解質溶液， 電極反應 ：
關鍵詞：兩電極 電化學 CO傳感器
0 引言
CO作為大氣污染物的主要物質之一，是環境監測控制的重點。隨著城市能源結構的調整及變化，城市煤氣已進入千家萬戶，以其清潔、方便的特點迅速普及。但由于使用不當或器具不合格，或其他因素造成泄漏，使得CO泄出后造成人員中毒事故時有發生；燃煤及燃氣熱水器不充分燃燒造成CO的聚集而導致居家人員中毒傷亡也不少見；在工業領域，CO氣體的生產、制造、應用等也需控制其濃度范圍；在采礦行業，地下礦井的CO氣體也需要檢測報警。在環保方面汽車尾氣檢測CO也日益重視起來。兩電極電化學式CO傳感器功耗低、體積小、靈敏度高、線性范圍寬，并具有抗干擾能力強、重現性好、穩定可靠等優點，是一種廣泛適合工業及民用領域的電化學式傳感器。
1 傳感器的結構
電化學傳感器有兩電極和三電極結構，主要區別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結構簡單，易于設計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警；三電極CO傳感器引入參比電極，使傳感器具有較大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價格遠高于兩電極CO傳感器，主要用于工業領域。針對當前我國對廉價民用CO報警器的迫切需求，我們選擇了兩電極CO傳感器的整體設計方案。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、除去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。電化學式傳感器的代表性構造
2 主要材料的選擇
2.1 電解質 電解質是電化學傳感器電極間的導體，是構成電池的重要成分。電化學CO傳感器按照電解質狀態可分為液體電解質型、半固態電解質型和固體電解質型。由于液體電解質易于泄漏和揮發，嚴重影響了傳感器的使用壽命，所以目前很少使用。半固態電解質是介于液態和固態電解質之間的電解質，是將一種親水性的多孔材料(或稱為燈芯材料)浸泡在硫酸中來形成的，這就要求該材料有很好的耐酸腐蝕性質，如聚苯乙烯磺酸膜、玻璃纖維膜等。而固體電解質型電解質代表了傳感器的發展的方向。電化學固態聚合物電解質型CO傳感器以聚合物中的官能基來傳導離子，由于能在室溫下工作，并且聚合物可按照設計需要通過化學反應進行改性，便于加工。經比較，固態聚合物電解質型結構性能更好，更易于制得高性能特別是高壽命的傳感器。通過試驗研究，我們最終選擇了Nafion固態聚合物電解質作為兩電極電化學CO傳感器的電解質。為了克服Nafion固體電解質電化學傳感器在使用時易受外界濕度干擾、影響使用壽命的缺點，在傳感器中設計了主要用玻璃纖維作為吸收材料填充少量液體電解質的儲存室，使液體電解質不易流動并提供充分的溶脹空間，該結構使傳感器內部形成穩定的氛圍，可以緩沖外界的變化，從而保證Nafion膜傳感器相對穩定的工作狀態，這樣克服了純固體電解質易受環境影響的缺點，大大提高了傳感器的可靠性。
2.2 過濾材料 傳感器的過濾材料能夠濾除對電極有毒害作用的污染物，其過濾能力對傳感器的使用壽命有重要影響。傳統的做法是使用活性炭粉末材料，但是由于活性炭的粗裝密度小，少量的活性炭難以起到作用，這也是傳統的電化學傳感器使用壽命短的主要原因；但是增加活性炭用量，又會使傳感器的體積變得臃腫，不利于安裝在探測器中。針對這個問題，我們采用了近年來新興的活性碳纖維材料。因為活性炭纖維其表面遍布微孔，以及可經二次加工，成為不同形態的氈及布狀的材料，與傳統的顆粒炭相比，具有較快的吸附、脫附的速度和更便利的操作維護等優點，該材料對有機氣體及惡臭物質（如正丁基硫醇等）吸附量比粒狀活性炭（GAC）大幾倍至幾十倍，對無機氣體也有很好的吸附能力，減小了過濾材料的用量，并且易于集成于傳感器中。 轉貼于
2.3 電極材料 CO傳感器的電極主要材料包括催化劑和基體材料。催化劑能加速氣體的反應，電極上載有對CO催化反應活性高的由鉑、釕、鎳等金屬微粒組成的催化劑，這些金屬作為電化學反應的催化劑可加速化學反應而本身無變化。在常見國外的CO傳感器中，鉑由于催化活性高而被廣泛使用，本項目也用鉑作為指示電極和對電極的催化劑。電極基體材料的選擇主要考慮材料的化學惰性，不與電解質和實際應用中可能接觸的化學物質反應；同時本傳感器中的電極是氣體擴散電極，基體材料要制備成多孔結構，所選材料應易于制備多孔薄膜；此外基體材料最好具備憎水性以防止水蒸氣在孔洞中凝結影響傳感器的正常工作。在上述條件限定下我們最終選擇化學惰性極佳、且具憎水性的聚四氟乙烯（PTFE）作為電極的基體材料。
3 內封裝工藝
鉑絲與電極插腳結合的部位是電解液泄漏的一個原因，該部位易受電解質溶液的腐蝕導致漏液和在傳感器內引入其它金屬離子而影響使用性能。一般的方法是在電極插腳上用電鍍或化學鍍方法制備惰性薄膜，或使用導電塑料進行連接，這些方法增加了制備工藝的難度，我們通過簡單的內封裝工藝解決了這個問題。內封裝工藝就是通過在鉑絲與電極插腳結合的部位澆注一薄層耐酸樹脂，該樹脂封裝至少6mm的鉑絲，實驗表明這樣的處理能使電解質液無法到達電極插腳端頭，有效防止漏液。
4 兩電極電化學CO傳感器濃度特性曲線
研制的CO傳感器靈敏度高，線性好，其輸出特性完全能夠滿足檢測儀器的設計要求
摘要：
本綜述首先簡單介紹了掃描電化學顯微鏡的基本概況，尤其是不同的工作模式.其次，有針對性地介紹了SECM的不同工作模式在氧還原和水解析氧反應相關研究中的應用.最后，對掃描電化學顯微鏡未來在新能源轉換存儲系統研究領域的應用進行了展望.
關鍵詞：
掃描電化學顯微鏡；氧還原；水解析氧；燃料電池；金屬空氣電池；水解
氧還原反應和水解析氧反應是許多新型綠色能源轉換存儲系統，如燃料電池（質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池和堿性燃料電池等）、一體式可再生燃料電池、金屬空氣電池（鋅空氣電池、鋁空氣電池、鋰空氣電池等）和水解系統中重要的電化學反應.由于氧氣極化電極的引入，氧還原反應也是近些年工業氯氣大規模生產中的重要反應[1].提高氧反應的催化活性以及降低催化劑的成本是電催化研究人員關注的重點之一[2-3].然而，由于各類氧反應催化材料的快速發展，分析比較各類含有不同組分和含量的不同樣品的催化性能需要一個便捷高效的分析篩選方法.另一方面，循環伏安法、線性掃描法或計時電流法與旋轉環盤電極連用是基礎分析電催化動力學、活性和穩定性的有效方法[4]，但這些手段都是檢測樣品作為一個整體的催化性能.從微觀角度理解和探究催化材料的微區電化學性能并明確其與材料物理形貌結構之間的構效關系對進一步構筑高性能氧反應電極催化材料尤為關鍵[5-6].高分辨率的掃描探針技術中的掃描電化學顯微鏡可以實現這兩個目的.本綜述將主要針對作者及過去十年作者所在的德國波鴻魯爾大學Schuhmann教授研究組利用SECM開展的各類氧反應（即氧還原和水解析氧反應）電催化材料的研究工作進行系統的回顧，力求使讀者對于SECM在電催化氧反應研究中的應用有一個更廣泛的了解.
1掃描電化學顯微鏡簡介
掃描電化學顯微鏡是上世紀八十年代末美國著名化學家Bard和其合作者研究發展而來[7]，與掃描隧道顯微鏡[8]、近場掃描光學顯微鏡[9]和原子力顯微鏡[10]同屬于掃描探針技術家族的一員，1999年開始在美國商業化.由于超微電極作為掃描探針的引入，它可以極近地接近樣品表面，不僅可以用于檢測樣品局部微區的二維物理形貌，而且可以研究樣品與電解液界面之間發生的電化學過程，表征樣品表面的電化學性能.UME的引入在電分析化學領域有著重要的意義，由于UME微小的尺寸（直徑大小為幾個至幾十個微米）具有極低的電壓歐姆降，可以快速達到法拉第過程的電流平衡、提高法拉第電流與電容電流的比率以及電流信號與噪音比.制備它的電極材料可以是金屬鉑、金或碳纖維，電極頭的形狀可以是環型、半圓型、針型，而應用最廣泛的通常為平面盤型[11].隨著時間的推移，SECM也開始使用直徑只有幾十個納米的納米電極作為掃描探針[12].根據不同研究的需要，SECM有不同的工作模式，主要包括直接模式、反饋模式、產生-收集模式和氧化還原競爭模式等（圖1）.
1）直接模式通常用于樣品表面的改性，例如樣品表面局域的金屬電沉積或腐蝕等.在該工作模式中，樣品通常作為工作電極，而掃描探針作為對電極，溶液中的金屬鹽在一定的樣品極化電壓條件下可以發生還原反應電沉積在離掃描探針頭非常接近的樣品局域表面（圖1A）.或者金屬樣品在一定極化電壓條件下發生氧化反應，在接近探針的局部區域被改性刻蝕（圖1B）.2）反饋模式通常用于反應物可以進行可逆氧化還原的過程，如電子轉移動力學和催化性能研究.在反饋區域，溶液中原有的介質A在探針表面發生氧化或還原反應生成介質B，當樣品為導電性較好的材料時，隨著探針極近地接近樣品表面，介質B會在樣品本身的開路電壓或一個給定電壓作用下重新在樣品表面發生還原或氧化反應生成介質A，介質A很快擴散到掃描探針并再次被氧化或還原生成介質B，使得掃描探針測得的電化學信號增加，稱為正反饋模式（圖1C）.若樣品導電性很差，樣品的開路電壓不足以使掃描探針上生成的介質B重新還原或氧化生成介質A，與此同時，由于探針極近地接近樣品表面，使介質A擴散到探針表面的速率受到極大限制，最終掃描探針測得的電化學信號減少，稱為負反饋模式（圖1D）.由于電化學信號對介于掃描探針和樣品之間距離的敏感性，這種工作模式也經常被用于SECM掃描之前測定漸近曲線用以尋找樣品表面，以及樣品的二維表面物理形貌的表征.3）產生-收集模式經常可以被用于電化學反應動力學、樣品微區活性及反應起始電壓的研究.與反饋模式的不同之處在于其不受制于溶液中原有介質濃度的影響，可以根據研究需要在探針或樣品局域產生反應所需的介質，用以進一步探究催化樣品的性能.在工作過程中，反應物A會在掃描探針或者樣品表面發生電化學反應生成產物B，而產生的產物B會擴散到樣品表面或掃描探針，被其收集并在一定電壓條件下再次發生電化學反應生成產物C.通過對于產物C的檢測可以了解反應物A生成產物B的電化學過程.前者稱為探針產生-樣品收集模式，而后者被稱作樣品產生-探針收集模式.相比于后種工作模式，前者對于信號的測量更為敏感，這是由于產物B在微探針表面生成，有著更小的背景電流.如果利用后種工作模式，產物B在相對巨大的整個樣品表面產生，由于大背景電流的影響，掃描微探針很難通過收集其周邊樣品位域產生的產物B而真正區分樣品局域的不同電催化活性.另一方面，由于產物B在大表面積的樣品上的大量生成，造成溶液中的產物B的濃度隨著時間的流逝而大幅度增加，使得掃描微探針的背景電流也不斷變化增加.4）氧化還原競爭模式是掃描探針和樣品表面會競爭性的對介于二者之間的同一反應物發生電催化反應（圖1G），根據掃描探針測得的電化學信息可以了解對方樣品對于反應物的電催化性能（具體信息見后）.由于不同工作模式的多元化發展，SECM在電子轉移動力學[13-15]、生物工程[16-18]、防腐領域[19-21]、多相催化和光催化[22-24]以及液/液和液/氣界面[25-28]研究領域都找到了自己的應用.
2掃描電化學顯微鏡在氧還原反應研究中的應用
氧化還原競爭模式是2006年Schuhmann課題組為研究各類金屬催化劑的氧還原活性和起始電壓而發展的[29]，其最初發展目的是最大程度地降低由于樣品的大背景電流對掃描結果敏感性帶來的影響.其工作原理是給掃描探針一個脈沖電壓，使反應物的產生和生成物的收集都發生在掃描探針上（圖2A）.脈沖電壓主要包括：1）在基礎電壓條件下，任何電解液中的背景過氧化氫可以發生氧化生成水；2）之后給掃描探針一個可以水解的極化電壓，在這個電壓下水可以電解在掃描探針和樣品之間的局部區域生成氧氣，目的是為了增加溶解氧的濃度，防止溶液中的溶解氧很快在樣品的高極化電壓條件下被還原用盡，致使由于氧濃度的限制無法正確比較各類不同催化劑的氧還原催化性能；3）最后給探針一個可以發生氧還原的極化電壓，而在這個步驟，掃描探針和樣品可能產生競爭，對溶解氧同時進行催化還原反應.當樣品的極化電壓較小的時候，樣品對氧還原不顯示催化活性，因此原來溶解在電解液中的溶解氧和前一步探針脈沖條件下水解生成的氧氣就只在探針表面發生還原反應，而當樣品的極化電壓負增長的時候，樣品開始對氧還原反應顯示出催化活性，因此，在氧濃度一定的條件下，一部分氧被樣品催化還原，而更少量的氧在掃描探針表面發生還原反應.根據掃描探針檢測的氧還原電流，可以評估樣品氧還原催化性能的好壞.探針測得的氧還原電流越低，說明樣品的氧還原能力越強.盡管施加在掃描探針上的脈沖電壓可以局域水解析氧，但在隨后給定的脈沖電壓下，溶解氧在被樣品和探針消耗還原的同時，也很容易快速地向外擴散，氧氣也會在很短的時間內消失殆盡.因此，在什么時刻確定最優電流的選取以確保最優圖像的生成就極為重要.基于這個考慮，該工作模式區別于其它工作模式的另外一個特點即為不只是在脈沖電壓的最后時刻檢測電流，而是在整個氧還原的最后脈沖電壓過程中不同時段即時檢測100個電流值（比如0.3s的脈沖電壓過程中，均勻檢測100個電流值，即為每0.003s檢測一個電流）.檢測軟件的提高，使得SECM可以更敏感的比較不同時段測得的樣品氧還原性能，區分不同催化材料或同一催化材料的不同區域在催化氧還原過程中的細微不同.該工作模式最初應用在檢測通過脈沖電化學沉積法制備的貴重金屬鉑和金的催化劑的氧還原性能研究中.燃料電池中的氧還原反應可以經過4個電子的轉移生成水(I)或是2個電子的轉移生成過氧化氫(II)，而形成的過氧化氫可能繼續發生2個電子的還原生成水(III)或者化學分解生成水和氧氣(IV)，甚至是單純吸附于樣品表面.這直接影響了氧還原過程的電子轉移數以及燃料電池的整體操作效率.因此，催化劑的選擇性是表征氧還原催化材料性能的一個重要指標.為此，Eckhard等進一步提高了氧化還原競爭工作模式，在掃描探針原有的用于檢測氧還原電催化性能的脈沖后又添加了一個脈沖電壓(圖2B).前兩步的脈沖與檢測氧還原性能之前的電壓一致，目的是為了保持相同的電解質溶解氧背景，之后跟隨的為可以氧化過氧化氫的電壓.在這一步驟，如果樣品在催化氧還原的過程中生成了過氧化氫，將會很快地擴散到掃描探針并被探針收集發生再次氧化反應.實際上這個步驟的工作模式為傳統的樣品產生-探針收集模式.通過合理地把氧化還原競爭模式和產生-收集模式相結合，有效地探究了各類催化材料在電催化氧還原過程中的選擇性[。作者利用電泳法在傳統的SECM掃描用玻璃炭載體上施加正電壓，通過引入含有電負性的碳納米管進一步提高了催化劑載體的比表面積，之后再利用SECM的步進系統固定水珠電解池（Droplet-Cell），在碳納米管改性的玻璃炭上利用電化學法沉積了各類金屬（鉑、金、銠、釕）及其共沉積金屬催化劑，利用氧化還原競爭和產生-收集二者相結合的工作模式研究了各類催化材料在中性溶液中的氧還原反應的起始電壓、催化性能和選擇性.同時在金屬沉積的過程中記錄了庫侖電荷轉移量，通過計算知道金屬的沉積量，之后半定量地比較了催化劑在不同擔載量的情況下的不同的氧還原性能，結果顯示催化劑的擔載量對于催化活性有著重要的影響[31].
圖3代表性地展示了SECM的氧化還原競爭模式和樣品產生-探針收集模式共用以探究不同貴重金屬催化劑對于氧還原反應的活性和選擇性的檢測[31].在不考慮擔載量的情況下，貴重金屬金相比于其它貴重金屬催化劑顯示了更好的氧還原電催化活性，但選擇性相對較差，更易在氧還原過程中發生2個電子的轉移生成過氧化氫.Okunola等利用脈沖法在玻璃炭載體上電沉積了各類金屬卟啉（錳、鐵、鈷卟啉）并利用氧化還原競爭和產生-收集雙工作模式對其在中性溶液中的氧還原的催化性能和選擇性作了比較，結果顯示錳卟啉有著更好的氧還原性能[32].Guadagnini等把氧化還原競爭工作模式應用到了普魯士藍的催化還原過氧化氫的檢測中[33].Nagaiah等利用循環伏安法在玻璃炭載體上電化學沉積了鉑、銀及在不同金屬鹽溶液濃度條件下電沉積了鉑和銀共沉積金屬，通過利用氧化還原競爭的工作模式研究了其對于氧還原的電催化性能，并與旋轉圓盤電極的檢測結果進行了比較，發現以鉑和銀金屬離子溶液摩爾濃度比為2:1條件下共沉積的金屬催化劑有著最優的氧還原催化活性[34].之后，又利用常電壓法在石墨電極上共沉積了鈀和鉑以及鈀和金，探究了不同摩爾比溶液組成的共沉積金屬在中性溶液中的氧還原電催化活性及生成過氧化氫的選擇性，結論指出含鈀鹽的溶液摩爾比濃度越高，越有利于氧還原在之后的共沉積金屬上發生4電子的轉移過程.由于部分共沉積金屬催化劑的優良的氧還原選擇性，可以被用作檢測過氧化氫的生物傳感器，敏感性可達102nA•(μmol•L-1)-1[35].Maljusch等隨后利用氧化還原競爭工作模式研究了單質金屬鉑在鹽酸溶液下的氧還原性能，通過研究發現金屬鉑并沒有顯示任何氧還原的性能，這是由于氯離子的存在使得金屬鉑在掃描探針脈沖電壓的施加過程中被刻蝕發生氧化反應，溶解在電解質里.為進一步提高性能，利用脈沖法電化學共沉積了鉑和銀金屬，探針在一定脈沖電壓下，可使銀發生氧化在共沉積金屬表面形成一層氯化銀沉淀，雖然反復的脈沖電壓可以使得氯化銀再次部分被氧化，但是不溶銀鹽的反復沉積存在大大提高了共沉積金屬在鹽酸溶液中的氧還原性能[36].Kulp等首先利用化學還原法制備了貴重金屬金與商業炭黑（VulcanXC72）共混的催化劑，之后直接滴涂在干凈的玻璃炭表面，再利用水珠電解池脈沖法電化學沉積貴重金屬鉑，對樣品局部區域進行了改性，制備了鉑殼-金核催化劑，之后利用氧化還原競爭，工作模式一次性地探究了金/炭黑、鉑殼-金核/炭黑和金屬鉑在中性條件下對于氧還原的催化活性，結果顯示鉑殼-金核/炭黑有著最優的氧還原催化性能[37].Schwamborn等利用SECM的直接工作模式，在玻璃炭表面電化學沉積了鐵金屬顆粒，通過化學氣相沉積法在玻璃炭表面局域直接催化生長出碳納米管，改性了玻璃炭微區的表面性能.之后利用水珠電解池電沉積金屬鉑進一步局域改性了碳納米管/玻璃炭，通過氧化還原競爭工作模式研究顯示在中性溶液中鉑/納米管比碳納米管有更好的電催化氧還原的活性[38].Kundu等在碳布上利用化學氣相沉積法首先在較高溫度下催化生長碳微米管，之后在較低溫度下二次催化生長碳納米管，最后利用電化學沉積方法電鍍沉積了鉑金屬納米顆粒.利用氧化還原競爭工作模式考察了鉑/碳布與鉑/碳納米管/碳微米管/碳布在中性條件下的氧還原反應的不同催化性能，明確指出了經過兩次改性催化生長碳納米管和微米管的碳布可以更均勻的分散金屬催化劑顆粒，并在同樣電沉積參數的條件下負載更多的金屬催化劑顆粒，因此有著更優越的氧還原催化性能[39].Dobrzeniecka等利用氧化還原競爭的工作模式研究了諸如多壁碳納米管、鈷原卟啉以及鈷原卟啉與多壁碳納米管復合的催化材料在中性條件下的氧還原電催化性能，同時與樣品產生-探針收集工作模式共用研究了這些樣品氧還原過程中過氧化氫的生成情況，結果表明，過氧化氫為多壁碳納米管催化氧還原過程中的終極產物，而鈷原卟啉的存在有助于過氧化氫進一步化學分解為氧氣和水[40].Maljusch等把掃描開爾文探針技術與SECM集成聯用，其優點在于一方面可以在任意大氣條件下等距離檢測樣品的局域接觸電位差，另一方面可以之后隨時添加任意電解液，并對樣品的電化學性能開展研究.文章里主要以固定在氧化硅表面的鉑和鎢薄膜作為研究對象，在對其局域接觸電位差進行研究的同時，利用SECM的氧化還原競爭模式探究了兩類薄膜對于氧還原的電催化活性，驗證了SKP與SECM技術集成連用的可行性[41].之后又以銅原子改性的鉑(111)薄膜作為研究對象，再次肯定了SKP與SECM技術集成連用可以更有效地探究樣品表面性能與電化學行為之間的構效關系。Schaefer等進一步提高了SECM的基礎儀器，使其可以在不同操作溫度條件下(0oC~100oC)研究各類催化樣品的不同催化活性，其中包括碳載鉑催化劑在酸性條件下對于氧還原的催化活性和選擇性，結論指出，隨著操作溫度的增加，催化劑的活性有所增強[43].此外，隨著對于掃描分辨率要求的不斷提高以及排除樣品的物理形貌對于電催化性能的影響，SECM剪切力恒定距離模式也被應用于粉末狀的氧還原催化劑的研究中[44].
3掃描電化學顯微鏡在水解析氧反應研究中的應用
水電解析出氧氣是工業氫氣大生產中的一個非常重要的電化學過程，在高電壓的水解析氧過程中可能同時發生一些副氧化反應.因此，研究水解析氧的電催化過程要比氧還原反應更為復雜.如果利用傳統電化學方法(如線性掃描法等)直接在樣品上施加電壓并對氧化電流進行監測，很難排除在高電壓條件下可能產生的副氧化反應(可能來自于樣品本身的自氧化或其它電化學氧化過程)對于水解析氧反應起始電壓的研究造成的干擾.Maljusch等利用SECM的掃描探針作為探測器，采用了SECM的樣品產生-探針收集模式，在給樣品施加不同的階躍式恒壓水解析氧的同時，給掃描探針施加一個可以氧還原的恒電壓，通過選擇性的檢測擴散到掃描探針表面的氧氣量，排除了其它副氧化反應可能帶來的干擾，探測了樣品電極的水解析氧的真正起始電壓[45].Botz等利用SECM的剪切力恒定距離模式更精準地排除了樣品的物理形貌對于起始電壓檢測所帶來的影響，更高分辨率地探究了粉末狀的氧化釕和鈣鈦礦催化樣品的水解析氧起始電壓[46].由于非導電性的氣泡在催化電極表面的連續產生和生長，使得電極的催化活性表面定期的、不定期的或永久性的被氣泡覆蓋，阻礙了催化電極活性位點的暴露，進而抑制了宏觀動力學，在無形之中降低了整個能源轉換存儲系統的操作效率，并增加了所需能源消耗.與此同時，由于氧氣泡的大量生成，也可使催化電極的物理形貌和化學組成隨著時間的推移發生變化.因此，研究氧氣泡的成核、生長及脫附釋放過程，是考察水解析氧催化材料性能的重要因素.Zeradjanin等在研究工業電解氯氣的過程中開發了SECM的一種新的工作模式，即噪音模式，利用掃描探針作為傳感器，極近地固定在氯氣電解電極上表面的某一點，之后采用樣品的產生-探針收集工作模式，在掃描探針施加一個可還原氯氣的恒電壓，收集樣品產生的氯氣、記錄氯氣的還原電流.然后對測得的氯氣還原電流進行數學的快速傅里葉變換，計算出介于掃描探針和參比電極之間的氯氣泡在釋放過程中對于溶液電阻的擾動變化頻率[47].
此工作模式很快被應用到水解析氧電極的研究中.通過對有裂痕和無裂痕工業電極樣品的研究，發現有裂痕的水解析氧電極更易在水解析氧過程中產生氣泡且有規律地從樣品表面脫附.這是因為擁有窄小微孔和縫隙的水解析氧電極可以抑制氧氣泡在孔縫中的進一步長大，從而使小氧氣泡在形成的過程中更快脫附，有助于水解析氧反應活性位域的及時暴露.研究結果明確指出了電極的形貌結構對于水解析氧電催化過程的重要影響[48].初始的噪音工作模式是把掃描探針固定于樣品表面的某一點，并且控制參比電極盡量遠離掃描探針，以求獲得介于掃描探針和參比電極之間的工業樣品的宏觀的水解析氧動態過程信息.為更加微觀地探究樣品表面的不同位域的水解析氧性能，尤其是氧氣泡釋放對于電極催化性能帶來的影響，同時體現SECM的高分辨率掃描特性，作者等在進一步提高此工作模式的基礎上提出了一個全新的利用SECM研究氣體逸出電極的新概念，即把氣泡釋放的頻率與振幅信息相結合，明確氣體真正的氧氣泡釋放的催化活性位域分布以及更加準確的探究氣體形成和釋放過程中的動態性能.實驗首先把微小的參比電極與掃描探針非?？拷夭⑴殴潭ㄔ赟ECM的步進器上，以確保二者之間的距離在掃描過程中保持恒定，排除溶液阻抗因二者距離的改變而產生變化.與此同時，利用穴電極固定了商業購買的氧化釕粉末作為研究樣品，并對其施加不同的水解析氧極化恒電壓.通過采用SECM的樣品產生-探針收集模式對樣品進行二維掃描，在掃描探針表面測得的氧還原電流可以說明樣品局域微區的水解析氧的電化學活性.而通過對每一檢測點的掃描探針的氧還原電流進行數學的快速傅里葉變換，不僅可以獲得準確的氧氣泡釋放的活性位域分布，而且可以明確氧氣泡的釋放頻率、釋放強度以及可能的釋放周期（定期釋放、不定期釋放、永久性吸附在樣品表面）.通過同時分析比較傳統的SECM的樣品產生-探針收集模式測得的樣品水解析氧性能的圖像與數學處理過的氧氣泡釋放分布圖，可以明確樣品的真正水解析氧活性位域（圖4）.通過對同一樣品連續地進行二維掃描，也可以了解樣品的水解析氧的穩定性.而最終對工業水解析氧電極的掃描，更進一步證明了利用SECM研究氣體逸出電極新概念的有效性[49].
4掃描電化學顯微鏡在雙功能氧還原和水解析氧反應研究中的應用
隨著一體式可再生燃料電池和可充放電金屬空氣電池的出現，制備可具備催化氧還原和水解析氧反應性能的雙功能催化劑以及研究其雙功能電催化性能成為近年研究的重要內容.通過對SECM不同工作模式的聯用，作者近期研究了氧化鈷、氧化鎳分別與氮摻雜炭黑復合的雙功能催化材料以及商業氧化鎳樣品的氧還原和水解析氧的性能.通過氧化還原競爭工作模式研究了各類催化劑的氧還原催化過程中的起始電壓和催化活性，通過與樣品的產生-探針收集工作模式共用探究了雙功能催化劑的氧還原催化過程中生成過氧化氫的選擇性，利用樣品產生-探針收集工作模式探究了水解析氧過程的起始電壓和催化活性.在利用樣品產生-探針收集工作模式與樣品的線性掃描電位分析法聯用的同時，排除了水解過程中可能產生的副氧化反應，利用掃描探針作為探測器選擇性的探究了樣品水解析氧過程產生的氧，確定了水解析氧的真正起始電壓.而通過對掃描探針氧還原電流的實時監測，更觀察到了在水解析氧反應發生之前掃描探針和樣品之間的氧濃度的變化，進一步推測了樣品可能發生的過渡氧化過程.值得一提的是，通過對SECM軟件的提高，相關性能表征可以一系列地先后連續進行[50].
5結語與展望
“化合價升高被氧化，是還原劑；化合價降低被還原，是氧化劑。”這是解析氧化還原反應的總則，亦是總要求?；蟽r升高，說明該元素失去電子，被氧化，發生了氧化反應，該反應的產物為氧化產物，反應物是還原劑?；蟽r降低，說明該元素得到電子，被還原，發生了還原反應，該反應的產物為還原產物，反應物是氧化劑。
一、氧化還原反應的“熱”和電化學的“冷”
在高中化學階段，大多數學生對氧化還原反應比較熟悉，化學老師一般把其作為難點和重點，詳細講解，反復糾正練習，直到學生熟練掌握為止。同時，對于高考這個指揮棒，學生和老師不得不聽從指揮，不管無機還是有機，牽扯到氧化還原反應的較多，所以氧化還原反應是化學高考的熱門話題。
作為電化學，在書本中介紹的不多，篇幅較少，并且只講原理和部分應用，內容艱澀難懂。在做題過程中容易以偏代全、斷章取義，稍不注意細節問題就容易出錯，造成學生認為電化學難，成為化學學習中的冷門。
近觀化學高考，越來越接近生活，涉及電化學知識的也頗多。例如，日常生活的干電池，電動車和手機的可充電電池，以及將來保護環境的燃燒電池等等。這類題的特點是題型新穎、起點不高、內容難度不大，但學生卻失分較多，令人痛惜。結果成考試是熱點，成績是冷門。針對氧化還原反應的“熱”和電化學的“冷”，可把二者有機結合起來，進行系統整理和歸納，達到他山之石可以攻玉的目的，造成雙贏的局面。
二、電化學本身就屬于氧化還原反應的范疇
電化學是氧化還原反應的一個比較特殊的分支。電化學分兩大部分，原電池和電解池（電鍍池屬于電解池）。原電池是把化學能轉化為電能的裝置，怎么把化學能轉化為電能呢？通過電子轉移（電子由負極流向正極）。而電子轉移就是氧化還原的本質，所以說原電池屬于氧化還原反應。
電解就是在電流通過電解質溶液而在陰陽兩極引起的氧化還原過程，借助于電流引起氧化還原反應的裝置叫電解池。從定義上就可看出，電解池也屬于氧化還原反應。
電化學屬于氧化還原反應的范疇，又具有一定的特殊性。首先，原電池和電解池都有電流通過，原電池基本上是自發的，電解池是人為的，并且必須有電源，這是二者的重要區別；同時，原電池的電極有正極、負極之分，而電解池的電極有陰極、陽極之說，包括電源亦有正極、負極之稱。這些都是氧化還原所沒有的，這就加大了解析電化學的難度。
電極的判斷正確與否，是解析電化學的關鍵，所以運用氧化還原反應解析電化學，必須把電極判斷聯系上，否則會前功盡棄、滿盤皆輸，因此電化學是特殊的氧化還原反應。
三、利用氧化還原反應解析原電池
“活性為負被氧化，惰性為正被還原?！边@是利用氧化還原反應解析原電池的總則。
一般情況下是比較原電池的兩個電極的金屬活動性，活潑的電極作為負極，發生了氧化反應；不活潑的電極作為正極，發生了還原反應。例如，銅鋅原電池，稀硫酸作為電解質溶液：
電極材料 電極名稱 電極反應式 反應類型
鋅棒 負極 Zn-2e-=Zn2+氧化反應
銅棒 正極 2H++2e-=H2還原反應
這個例子充分證明總則的正確性，但亦不盡然。如燃料電池，全部是惰性電極（任何情況下都不參與反應的電極叫惰性電極），電極本身不參加反應，但它肯定有燃料和助燃劑，燃料中某一元素的化合價一定升高，化合價升高，發生了氧化反應，該電極就是負極，照樣可以把兩個惰性電極分清正極和負極，只不過倒過來使用罷了。
還有一些特殊的原電池，也符合這個原則。例如，銅鐵原電池，濃硝酸作為電解質溶液。鐵雖然比銅活潑，但是鐵遇到冷的濃硝酸發生了鈍化，很難參加反應；銅反而在常溫下，能與濃硝酸發生氧化還原反應。在這種情況下，銅棒作為負極，發生氧化反應，鐵棒作為正極，發生還原反應?？梢?，電極的判斷不但與電極的金屬活動性有關，還與電解質溶液有關，是兩者共同決定的。但不論哪種原電池，負極被氧化、正極被還原這個總則是不變的。
四、利用氧化還原反應解析電解池
作為電解池，肯定有電源，電源分正極和負極?！罢龢O為陽被氧化，負極為陰被還原”，這是利用氧化還原反應解析電解池的總則。
跟電源正極相連的電極稱為陽極，陽極吸引陰離子，陰離子失去電子，發生氧化反應；若陽極本身是活性電極，則失去電子，發生氧化反應。與電源負極相連的電極叫陰極，陰極吸引陽離子，陽離子得到電子，發生還原反應。
電源的正極和負極、電解池的陽極和陰極、反應類型的氧化反應（失電子反應）和還原反應（得電子反應），這三個方面六個要點相輔相成，只要抓住其中一點，其他五點就迎刃而解了。例如，知道電解池中一個電極上有金屬析出，推出金屬是由金屬陽離子得到電子而產生的，是還原反應，該電極是陰極，連接的電源為負極，同一電解池的另一電極恰恰相反，一目了然。
1無掩膜電化學微/納米加工技術無掩膜電化學微/納米加工技術是基于微/納米電極針尖或針尖陣列的掃描探針顯微鏡(SPM)技術，包括電化學掃描隧道顯微鏡(EC-STM)和電化學原子力顯微鏡(EC-AFM)、超短電壓脈沖技術(US-VP)、掃描電化學顯微鏡(SECM)、掃描微電解池(SMEC)等，加工的精度由針尖電極的尺寸決定。無掩膜技術的優點在于所加工的三維結構的尺度和精度可以達到微/納米級別，缺點是材料去除率低以及加工效率低。
1．1電化學掃描探針顯微鏡(EC-SPM)電化學掃描隧道顯微鏡由Kolb課題組于1997年提出。與“蘸水筆”技術很類似，首先在STM探針上沾上帶有Cu2+的溶液，再移到金基片上通過電沉積形成銅納米團簇。此方法的加工精度非常高，團簇的直徑一般在亞納米級別，高度可以控制在幾個納米［7］。然而，由于很多金屬的還原電位低于氫析出電位，很難在水溶液中通過電沉積的方法得到納米團簇或微/納米結構。最近，廈門大學毛秉偉教授課題組在室溫離子液體環境中電沉積得到了活潑金屬鋅和鐵的納米團簇圖案［8-10］。原子力顯微鏡與電化學聯用可以達到類似的結果。雖然單點加工作業效率低，但是由于金屬的電沉積速度很快，如果采用陣列SPM探針，可以大幅度提高加工效率。EC-SPM最大的不足在于SPM的掃描行程非常有限，因此加工的尺度范圍很小。目前本課題組正在研發大行程(100mm×100mm)的EC-SPM技術。
1．2超短電壓脈沖技術Schuster發展了超短電壓脈沖技術(USVP)，將微/納米電極、電極陣列或者帶有三維微結構的模板(工具)逼近待加工的導電基底(工件)，然后在針尖與基底之間施以納秒級電壓脈沖。由于電極/溶液界面的時間常數為雙電層電容和工具與工件之間溶液的電阻的乘積(τ=RCd)，而后兩者與工具和工件之間的距離有關，所以在工件與工具之間施加納秒級的電勢脈沖時，只有距離工具最近的工件部位發生陽極溶解，從而得到尺度可控的微型結構［11］。本質上講，這種技術具有距離敏感性，加工的精度較高。我國已有研究人員正在開展這種技術的研究［12］。
1．3掃描電化學顯微鏡掃描電化學顯微鏡(SECM)是一種以超微電極或納米電極為探針的掃描探針技術，由一個三維精密定位系統來控制探針電極與被加工基底之間的距離，通過在針尖與基底之間局部區域激發電化學反應，可以獲得各種微結構圖案。該技術通過電流反饋原理定位微/納米電極針尖，與STM和AFM相比，雖然空間分辨率有所降低，但是化學反應性能得到增強，大大拓展了微/納米加工的對象，成為一種重要的微/納米加工技術。SECM在微/納米加工中的應用詳見文獻［13］。
1．4掃描微電解池掃描微電解池(SMEC)是利用毛細管尖端的微液滴與導電工件形成接觸，對電極插入到毛細管中與導電的加工基底構成微電解池，并以該微電解池作為掃描探針。由于電化學反應被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸決定了加工的精度［14］。近期的研究結果表明，通過該方法可以制作形狀可控的銅納米線，在微電子元器件的焊接技術中表現出顯著的優勢［15］。我們課題組采用該方法合成了各種微/納米晶體或聚合物功能材料，用于構筑電化學功能微器件［16-17］。
2掩膜電化學微/納米加工技術掩膜微/納米加工技術包括LIGA技術、EFAB技術、電化學濕印章技術(EC-WETS)和電化學納米印刷技術。這些加工技術的主要原理都是將電化學反應控制在具有預設微/納米結構的掩模內。工件通常是導電的，同時也作為電極。LIGA和EFAB技術需要通過光刻在工件上形成微結構，然后通過電沉積方法在其間得到金屬微/納米結構。電化學濕印章技術和電化學納米壓印技術使用的是凝膠或固體電解質模板，模板與工件接觸，利用電沉積或刻蝕形的方法形成所需的微/納米結構。
2．1LIGA技術LIGA(德語Lithographie，Galvanoformung，Abformung的縮寫)是一種加工高深寬比微/納米結構的方法［18-20］。先在導電基底上涂覆一層光刻膠，通過光刻曝光后形成高深寬比的微/納米結構;然后在含有微/納米結構的光刻膠模板上電沉積金屬，去除光刻膠后得到金屬微/納米結構。獲得的金屬微/納米結構還可以進一步作為加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深寬比可以達到10～50，粗糙度小于50nm。該技術使用的X射線曝光光源價格昂貴，而紫外曝光工藝又受相對較低的加工深寬比的制約。另外，如何在有較高深寬比的光刻膠微/納米結構中實現高質量的電鑄也是需要解決的問題。
2．2EFAB技術EFAB(ElectrochemicalFabrication)是由美國南加州大學AdamCohan教授提出的一種微/納米加工方法［21-23］。EFAB技術首先利用CAD將目標三維微/納米結構分解成容易通過光刻加工的多層二維微/納米結構;然后將設計好的微/納米結構層和犧牲層一層一層地沉積于二維光刻膠模板中;去掉光刻膠模板和犧牲層金屬就可以得到所需的微/納米結構。每一個電鑄層都要求高度的平坦化，以確保下一步工藝的質量?；瘜W拋光(CMP)是常用的拋光方法，但是其價格昂貴，大大增加了工藝成本。另外，逐層加工對多層結構之間的精確對準有著很高的要求，任何兩層之間的對準錯誤都將會導致整個微/納米加工流程失敗。2．3電化學濕印章技術Grzybowski提出了一種利用含有刻蝕劑和微結構的凝膠模板來實現導體或半導體材料的化學刻蝕技術［24］。我們課題組采用瓊脂糖凝膠模板作為電解質體系，提出了EC-WETS技術，通過電沉積、陽極溶解或化學刻蝕等途徑實現微/納米結構的加工［25］。目前的主要問題是如何控制反應物的側向擴散，提高反應物在膠體中的擴散速率以及加工的精度。
2．4固體電解質電化學納米印刷技術AgS2是一種具有銀離子傳輸能力的固態超離子導體電解質，Hsu等制備了AgS2微/納米結構模板。當銀工件表面接觸到超離子導體模板時，在工件上施加一定的電壓，銀工件表面與模板的連接處將會發生銀的陽極溶解，銀離子在AgS2電解質中遷移，沉積到AgS2模板另一側的對電極上［26-27］。這種方法的主要缺陷是可以用作模板的固體電解質有限，機械強度差，而且，工件表面溶出的陽離子在固體電解質中的擴散速度慢，加工效率低。
3約束刻蝕劑層技術微/納米加工技術必須滿足以下3點要求:微/納米級加工尺寸，能加工復雜的三維結構以及實現批量化生產。然而非掩膜技術不適合批量生產，掩模技術又難以生產連續曲面等復雜的三維微結構。我們課題組致力于電化學微/納米加工領域已有20多年，由田昭武院士提出的具有自主知識產權的約束刻蝕劑層技術(CELT)可以滿足對微/納米加工技術的上述3個基本要求，本節將予以詳細介紹。
3．1基本原理約束刻蝕劑層技術是通過一個隨后的均相化學反應將電化學、光化學或光電化學產生的刻蝕劑約束至微/納米級的厚度，從而實現微/納米精度的加工。約束刻蝕劑層技術主要分為以下3個步驟:①刻蝕劑的生成反應為:RO+neorR+hvO(+ne)(1)其中R為刻蝕劑前驅體，O為刻蝕劑。CELT使用的工具既是光/電化學體系的工作電極又是微/納米加工的模板，即刻蝕劑通過電化學、光化學、光電化學的方法在模板表面產生。由于刻蝕劑在溶液中的擴散，刻蝕劑的形狀和厚度很難控制，這取決于刻蝕劑的擴散性質、模板電極的大小和形狀。為了確保加工精度，就必須控制刻蝕劑的擴散僅僅發生在模板電極表面微/納米級的尺度范圍以內。②約束反應為:O+SR+YorOY(2)其中S為工作溶液中的約束劑，Y是約束劑S與刻蝕劑O反應的產物或者光/電化學反應生成的自由基衰變產物。由于約束反應的發生，使刻蝕劑的擴散被限制在模板電極表面微/納米級的尺度范圍以內，約束刻蝕劑層的厚度取決于約束反應的速率或自由基O的壽命。約束刻蝕劑層的理論厚度為［28］:μ=(D/Ks)1/2(3)其中μ為約束刻蝕劑層的厚度，D為刻蝕劑在工作溶液中的擴散系數，Ks為約束反應(式(2))的準一級反應速率常數。當Ks為109s－1時，約束刻蝕劑層的厚度將達到1nm。由于刻蝕劑層被約束在微/納米尺度范圍內，刻蝕劑層保持與加工模板一致的形狀。因此，約束刻蝕劑層技術的加工精度取決于約束刻蝕劑層的厚度。③刻蝕反應為:O+MR+P(4)式中M為被加工材料，P為刻蝕產物。當模板電極逐漸逼近工件使約束刻蝕劑層與工件表面接觸時，工件表面將與刻蝕劑發生化學刻蝕反應，直到在工件表面生成與模板電極三維微/納米結構互補的微/納米結構。
3．2微/納米加工儀器用于微/納米加工的CELT儀器主要由電化學工作站、三維微位移控制器、計算機反饋系統三部分構成［29-33］(圖1)。電化學工作站用于調控CELT化學反應體系;三維微位移控制器用于模板工具的定位和進給?？販叵到y和工作液循環系統等附屬系統在這里不做展示。計算機用于CELT整體系統的信息發送和反饋，以確保整個微/納米加工過程協同完成。
3．3化學反應體系的篩選對于CELT而言，首先是要選擇合適的化學反應體系。在實驗中，我們使用一個柱狀微電極作為工具電極來產生針對特定加工材料的刻蝕劑。比如在加工半導體砷化鎵時，溴是常用的刻蝕劑，而胱氨酸作為約束劑用以調控刻蝕劑層的厚度［34-39］。整個刻蝕體系的化學反應表示如下:16Br－8Br2+16e(5)5Br2+RSSR+6H2O2RSO3H+10Br－+10H+(6)3Br2+GaAs+3H2O6Br－+AsO3－3+Ga3++6H+(7)用于加工砷化鎵的CELT化學體系的循環伏安圖見圖2(a)［34］。刻蝕劑的生成反應(式(5))是一個可逆的氧化還原反應。由于工作液中胱氨酸(RSSR)與溴的約束反應(式(6))，胱氨酸被氧化為磺酸(RSO3H)，體系的法拉第電流顯著增加，這表明約束刻蝕劑層的厚度減小。如圖2(c)所示，納米加工的精度得到良好改善［38］。值得注意的是，約束刻蝕劑層的厚度可以通過改變約束劑的濃度來調節。這對于超光滑表面的加工十分重要，可以根據實際技術要求調整工藝。SECM可以用來探測工具表面刻蝕劑的濃度分布，并且可以用來獲取CELT化學反應體系的動力學參數，這對于優化CELT微/納米加工的技術參數十分重要［40-41］。
3．4復雜三維微結構的CELT加工CELT已被證明可以成功地用于金屬、合金、半導體、絕緣體表面復雜三維微結構的加工［42-49］。在三維微結構的加工實驗中，使用的是具有互補結構的模板電極。模板材料可以是鉑銥合金、硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。在具有三維微結構的硅或PMMA模板上首先沉積一層鈦，然后再濺射一層鉑，以確保模板在加工過程中的導電性和穩定性。在金屬或合金基底上加工三維微結構的關鍵是在工具電極表面產生氫離子作為刻蝕劑，以氫氧化鈉作為約束劑。目前，各種三維微結構已經被成功復制在銅［50-51］、鎳［51-52］、鋁［53］、鈦［54］、鎳鈦合金［55］、Ti6Al4V［56］、鎂合金［57］基底上。對于半導體硅［32，58-62］或砷化鎵［34-39］，一般以溴作為刻蝕劑，以胱氨酸為約束劑。圖3所示的是采用CELT在n型砷化鎵基底上加工出的三維衍射微透鏡陣列，這是CELT加工出的首例光學微器件［39］。整個微透鏡陣列是一個八相位衍射光學器件，每個小微透鏡由8個同心圓以及7個臺階位構成。7個臺階位的總高度是1．3μm，每個臺階的平均高度為187nm。添加劑對提高刻蝕產物的溶解性至關重要，在硅微加工中，通常加入氟化鈉以避免硅沉淀。最近，由光電化學或光化學生成自由基刻蝕劑也取得了初步進展，例如二乙胺自由基刻蝕銅［63］。
3．5超光滑表面的CELT加工如果工具模板不是復雜三維結構，而是一個超光滑平面，CELT能否發展成為一種整平技術呢?由于集成電路和超精密光學器件等領域的巨大市場需求，將CELT發展成為一種超光滑表面加工技術具有十分重要的意義。最近，我們采用CELT的基本原理開展了超光滑表面加工的研究工作，該方法有可能代替現有的化學機械拋光技術(CMP)，用于超大規模集成電路中銅互連結構的整平。初步的研究結果表明CELT對銅的整平有著良好的效果(圖4)。CELT拋光的關鍵在于確保約束刻蝕劑層在大面積范圍內保持均一的濃度分布。盡管大面積超光滑工具電極的流體力學設計非常必要，但是最簡單的方法是使用一個線型工具電極對在加工平臺上做旋轉運動的工件進行作業。本課題組正在將傳統的機械加工作業方式與CELT進行對接，這無疑將在超光滑表面及其微/納米二級結構的加工領域發揮更加重要的作用［33］。
