《电化学丛书:电催化》由电催化基础和重要电催化过程两部分组成。内容包括从纳米结构、表面结构、电子结构出发认识电催化过程和催化剂材料的性质，到电催化剂的理论设计、理论模拟和制备；从氢、氧及有机分子电催化基础，到燃料电池、太阳能电池、生物电化学乃至工业电化学过程等电催化应用。《电化学丛书:电催化》在内容的选择上，既注重基础知识和研究方法的介绍，同时又紧紧围绕前沿方向。《电化学丛书:电催化》既适合选择电催化、电化学、催化化学、表面科学、材料科学等学科作为研究方向的研究生，也适合从事电催化及相关领域科学研究和技术研发的科技工作者参考。

《电化学丛书》的策划与出版，可以说是电化学科学大好发展形势下的“有识之举”，其中包括如下两个方面的意义。

首先，从基础学科的发展看，电化学一般被认为是隶属物理化学（二级学科）的一门三级学科，其发展重点往往从属物理化学的发展重点。例如，电化学发展早期从属原子分子学说的发展（如法拉第定律和电化学当量）；19世纪起则依附化学热力学的发展而着重电化学热力学的发展（如能斯特公式和电解质理论）。20世纪40年代后，“电极过程动力学”异军突起，曾领风骚四五十年。约从20世纪80年代起，形势又有新的变化：一方面是固体物理理论和第一性原理计算方法的更广泛应用与取得实用性成果；另一方面是对具有各种特殊功能的新材料的迫切要求与大量新材料的制备合成。一门以综合材料学基本理论、实验方法与计算方法为基础的电化学新学科似乎正在形成。在《电化学丛书》的选题中，显然也反映了这一重大形势发展。

其次，电化学从诞生初期起就是一门与实际紧密结合的学科，这一学科在解决当代人类持续性发展“世纪性难题”（能源与环境）征途中重要性位置的提升和受到期待之热切，的确令人印象深刻。可以不夸张地说，从历史发展看，电化学当今所受到的重视是空前的。探讨如何利用这一大好形势发展电化学在各方面的应用，以及结合应用研究发展学科，应该是《电化学丛书》不容推脱的任务。另一方面，尽管形势大好，我仍然期望各位编委在介绍和讨论发展电化学科学和技术以解决人类持续发展难题时，要有大家风度，即对电化学科学和技术的优点、特点、难点和缺点的介绍要“面面俱到”，切不可“卖瓜的只说瓜甜”，反而贻笑大方。

《电化学丛书》的编撰和发行还反映了电化学科学发展形势大好的另一重要方面，即我国电化学人才发展之兴旺。丛书各分册均由各该领域学有专攻的科学家执笔。可以期望：各分册将不仅能在较高水平上梳理各分支学科的框架与发展，同时也将提供较系统的材料，供读者了解我国学者的工作与取得的成就。

总之，我热切希望《电化学丛书》的策划与出版将使我国电化学科学书籍跃进至新的水平。

查全性

二〇一〇夏于珞珈山2100433B

《电化学丛书:电催化》既适合选择电催化、电化学、催化化学、表面科学、材料科学等学科作为研究方向的研究生，也适合从事电催化及相关领域科学研究和技术研发的科技工作者参考。《电化学丛书:电催化》在内容的选择上，既注重基础知识和研究方法的介绍，同时又紧紧围绕前沿方向。

第1章电催化基础与应用研究进展

1.1电化学的发展历史

1.2电催化反应的基本规律和两类电催化反应及其共同特点

1.3研究电极过程的经典电化学方法、表面分析技术和电化学原位谱学方法

1.3.1经典电化学研究方法

1.3.2非传统电化学研究方法及其进展

1.4电催化剂的电子结构效应和表面结构效应

1.4.1电子结构效应对电催化反应速度的影响

1.4.2表面结构效应对电催化反应速度的影响

1.5一些实际电催化体系的分析和讨论

1.5.1纳米粒子的组成及其对电催化性能的影响

1.5.2催化剂载体对电催化性能的影响

1.5.3纳米粒子的表面结构对其电催化性能的影响

1.5.4纳米尺度电催化剂活性的比较与关联

1.6总结与展望

参考文献

第2章电催化表面结构效应与金属纳米粒子催化剂表面结构控制合成

2.1电催化表面结构效应

2.1.1金属单晶面及其表面原子排列结构

2.1.2晶面结构效应

2.2金属纳米粒子的表面结构控制合成及其电催化

2.2.1纳米粒子形状与晶面的关系

2.2.2晶体生长规律

2.2.3低表面能金属纳米粒子的控制合成及其催化性能研究

2.2.4高表面能金属纳米粒子的控制合成及其电催化

2.3总结与展望

参考文献

第3章电催化中的电子效应与协同效应

3.1金属表面吸附作用的物理化学基础

3.1.1金属的电子能带结构

3.1.2吸附质与金属表面的相互作用

3.1.3吸附作用的密度泛函理论计算

3.2催化作用中的电子效应与协同效应

3.2.1吸附作用的电子特征描述

3.2.2金属表面反应性及其电子效应调控

3.2.3催化作用中的协同效应

3.3研究实例

3.3.1氧还原反应Pt合金催化剂的电子效应

3.3.2甲酸氧化反应Pd合金催化剂的表面反应性调控

3.3.3氢氧化反应Ni催化剂d带反应性的选择性抑制

3.3.4利用几何效应调控Pt催化甲醇氧化的反应选择性

3.3.5Pt.Ru电催化协同效应的直接观测

3.3.6Pd.Au合金表面H吸附与CO吸附所需的最小Pd原子聚集体

参考文献

第4章电催化剂的设计与理论模拟

4.1电极∕溶液界面电荷传递过程的量子效应

4.1.1电子转移反应的基本类型

4.1.2电子转移的基本原理

4.1.3Marcus的电子转移理论

4.1.4电极∕溶液界面电子的隧道效应

4.2电极∕溶液界面的量子化学模拟

4.2.1计算方法与模型

4.2.2催化剂的反应活性和电子构型的计算

4.2.3溶剂效应

4.2.4电极电势的模拟

4.3电极过程动力学模拟及其应用

4.3.1氧气电催化还原

4.3.2甲醇电催化氧化

4.3.3电催化非线性动力学过程模拟

4.4总结与展望

参考文献

第5章燃料电池催化剂新材料

5.1质子交换膜燃料电池及催化剂概述

5.2阳极催化剂

5.2.1氢—氧燃料电池阳极催化剂

5.2.2DMFC阳极催化剂

5.2.3DFAFC阳极催化剂

5.2.4DEFC阳极催化剂

5.3阴极催化剂

5.3.1阴极氧电还原机理

5.3.2铂基催化剂

5.3.3非铂基金属催化剂

5.4催化剂制备方法

5.4.1浸渍—液相还原法

5.4.2胶体法

5.4.3微乳液法

5.4.4电化学法

5.4.5气相还原法

5.4.6气相沉积法

5.4.7高温合金化法

5.4.8羰基簇合物法

5.4.9预沉淀法

5.4.10离子液体法

5.4.11喷雾热解法

5.4.12固相反应法

5.4.13多醇过程法

5.4.14微波法

5.4.15组合法

5.4.16离子交换法

5.4.17辐照法

5.5载体

5.5.1炭黑

5.5.2中孔碳

5.5.3CNTs

5.5.4碳凝胶

5.5.5空心碳

5.5.6碳卷

5.5.7碳纤维

5.5.8碳纳米分子筛

5.5.9碳化钨

5.5.10硬碳

5.5.11碳纳米笼

5.5.12金刚石

5.5.13富勒烯

5.5.14石墨烯

参考文献

第6章氢电极电催化

6.1氢电极反应及其电催化概述

6.2氢的电化学吸附

6.2.1氢的欠电势吸附

6.2.2氢的过电势吸附

6.2.3氢吸附的谱学技术研究

6.2.4氢吸附的理论计算研究

6.3氢电极反应机理

6.4氢电极反应动力学

6.4.1氢电极反应交换电流密度的测量

6.4.2交换电流密度的火山关系图

6.4.3温度对氢电极反应动力学的影响

6.5氢电催化的Pt表面结构效应

6.6氢电催化的铂纳米粒径效应

6.7总结与展望

参考文献

第7章铂基催化剂上的氧还原电催化

7.1概述

7.2Pt单质金属催化剂

7.2.1Pt单晶的晶面取向、阴离子吸附对氧还原性能的影响

7.2.2Pt纳米催化剂的粒径效应

7.3铂基二元模型电催化剂的氧还原行为

7.4Pt及其合金的氧还原活性趋势的理论预期

7.5Pt基金属纳米催化剂

7.6ORR机理的研究进展

7.7总结与展望

参考文献

第8章几种代氢燃料分子的直接电催化氧化

8.1硼氢化物的直接电催化氧化

8.1.1硼氢化物作为代氢阳极燃料的优势与问题

8.1.2不同金属上硼氢化物电氧化的基本行为

8.1.3BH—4在金属电极上的电氧化模型

8.1.4硼氢化物的直接电催化氧化小结

8.2氨的直接电催化氧化

8.2.1氨的直接电催化氧化概述

8.2.2氨在Pt及其合金上的电氧化行为

8.2.3氨在金属镍上的电氧化行为

8.3硼氮烷作为阳极燃料的电催化

8.3.1硼氮烷作为阳极燃料的电催化概述

8.3.2BH3NH3在Ag电极上的电氧化

8.3.3几种典型催化剂上硼氮烷的直接电氧化

8.3.4总结与展望

参考文献

第9章有机小分子电催化

9.1概述

9.2 CO的电催化氧化

9.2.1CO在金属表面的吸附

9.2.2CO在Pt表面电氧化

9.2.3纳米Pt表面CO的电氧化：尺寸及晶面效应

9.2.4Pt.Ru合金表面CO电氧化的“双功能机理”

9.2.5d带能级与表面偏析对电催化的影响

9.3甲醇的阳极氧化

9.3.1甲醇的电氧化机理

9.3.2甲醇电氧化催化剂的设计

9.4甲酸的电催化氧化

9.4.1Pt表面甲酸电氧化机理

9.4.2Pd表面甲酸电氧化

9.4.3甲酸电氧化催化剂的设计

9.5乙醇的电催化氧化

9.6碱性环境中C1小分子的电氧化

9.6.1碱性条件下CO电催化氧化

9.6.2碱性条件下甲醇的电催化氧化

9.7总结与展望

参考文献

第10章酶电催化

10.1酶的基本结构与功能

10.1.1酶的基本概念

10.1.2酶的活性中心

10.1.3酶的一级结构与催化功能的关系

10.1.4酶的二级和三级结构与催化功能的关系

10.1.5酶的四级结构与催化功能的关系

10.2酶催化反应的一般理论

10.2.1酶催化反应理论

10.2.2酶催化反应的动力学

10.2.3酶催化反应的动力学参数的求取

10.3酶催化反应的电化学

10.3.1酶催化反应的电化学研究方法

10.3.2酶催化反应的电流理论

10.3.3酶在电极表面的固定

10.4酶催化电化学研究的几个重要例子

10.4.1葡萄糖氧化酶

10.4.2反丁烯二酸还原酶和丁二酸脱氢酶

10.4.3过氧化物酶

10.4.4钼氧转移酶

10.4.5细胞色素P450酶

10.4.6氢酶

10.4.7含铜氧化酶

10.5酶电化学催化的应用

10.5.1用于底物的定量测定

10.5.2用作生物燃料电池的电极催化剂

10.5.3电化学免疫分析

10.5.4DNA杂交检测

参考文献

第11章光电催化

11.1概述

11.2光电催化原理

11.2.1太阳能光电催化原理

11.2.2环境光电催化原理

11.3光电催化剂与光电催化反应

11.3.1TiO2光电催化剂的制备

11.3.2提高TiO2光催化活性的途径

11.3.3WO3光电催化剂

11.3.4CdS光电催化剂

11.3.5ZnO光电催化剂

11.3.6新型配合物半导体光电催化剂

11.3.7具有光电催化功能的聚合物纳米复合材料

11.3.8光电催化剂的表征

11.3.9光电催化反应

11.4重要的光电催化过程及应用

11.4.1光电催化电解水制氢

11.4.2光电催化对典型有机污染物的降解

11.5光电催化的研究方法

11.5.1光催化研究过程的分析方法

11.5.2光电催化的动力学研究

11.5.3光电化学研究方法

参考文献

第12章燃料电池电催化

12.1燃料电池的分类和性能

12.1.1燃料电池分类

12.1.2燃料电池性能

12.2燃料电池电催化

12.2.1催化剂概述

12.2.2电催化反应特点

12.2.3催化剂的表征方法

12.2.4催化剂的结构组成

12.2.5催化剂的电催化性能

12.2.6催化剂的耐久性

12.3总结与展望

参考文献

第13章工业过程电催化

13.1氯碱工业过程电催化

13.1.1氯碱工业概述

13.1.2氯碱电解槽的析氯阳极电催化

13.1.3氯碱电解槽的析氢阴极电催化

13.2湿法冶金工业电积过程电催化

13.2.1湿法冶金工业概述

13.2.2氯化物水溶液中Ni、Co电积过程电催化

13.2.3硫酸溶液中Ni电积过程电催化

13.2.4硫酸溶液Zn电积过程电催化

13.3熔盐铝电解过程电催化

13.3.1熔盐铝电解工业概述

13.3.2碳素阳极的掺杂电催化

13.3.3碳素阳极掺杂电催化机理

13.3.4锂盐阳极糊及其工业应用

13.3.5预焙阳极的掺杂电催化与综合改性

参考文献

索引

本书由电催化基础和重要电催化过程两部分组成。内容包括从纳米结构、表面结构、电子结构出发认识电催化过程和催化剂材料的性质，到电催化剂的理论设计、理论模拟和制备；从氢、氧及有机分子电催化基础，到燃料电池、太阳能电池、生物电化学乃至工业电化学过程等电催化应用。本书在内容的选择上，既注重基础知识和研究方法的介绍，同时又紧紧围绕前沿方向。

第1章电催化基础与应用研究进展

11电化学的发展历史1

12电催化反应的基本规律和两类电催化反应及其共同特点3

13研究电极过程的经典电化学方法、表面分析技术和电化学原位谱学方法5

131经典电化学研究方法5

132非传统电化学研究方法及其进展7

14电催化剂的电子结构效应和表面结构效应12

141电子结构效应对电催化反应速度的影响12

142表面结构效应对电催化反应速度的影响15

15一些实际电催化体系的分析和讨论20

151纳米粒子的组成及其对电催化性能的影响20

152催化剂载体对电催化性能的影响21

153纳米粒子的表面结构对其电催化性能的影响22

154纳米尺度电催化剂活性的比较与关联25

16总结与展望28

参考文献29

第2章电催化表面结构效应与金属纳米粒子催化剂表面结构控制合成

21电催化表面结构效应33

211金属单晶面及其表面原子排列结构33

212晶面结构效应34

22金属纳米粒子的表面结构控制合成及其电催化39

221纳米粒子形状与晶面的关系39

222晶体生长规律41

223低表面能金属纳米粒子的控制合成及其催化性能研究44

224高表面能金属纳米粒子的控制合成及其电催化51

23总结与展望67

参考文献69

第3章电催化中的电子效应与协同效应

31金属表面吸附作用的物理化学基础75

311金属的电子能带结构75

312吸附质与金属表面的相互作用79

313吸附作用的密度泛函理论计算82

32催化作用中的电子效应与协同效应85

321吸附作用的电子特征描述85

322金属表面反应性及其电子效应调控89

323催化作用中的协同效应91

33研究实例93

331氧还原反应Pt合金催化剂的电子效应93

332甲酸氧化反应Pd合金催化剂的表面反应性调控98

333氢氧化反应Ni催化剂d带反应性的选择性抑制101

334利用几何效应调控Pt催化甲醇氧化的反应选择性103

335PtRu电催化协同效应的直接观测105

336PdAu合金表面H吸附与CO吸附所需的最小Pd原子聚集体108

参考文献110

第4章电催化剂的设计与理论模拟

41电极/溶液界面电荷传递过程的量子效应114

411电子转移反应的基本类型114

412电子转移的基本原理115

413Marcus的电子转移理论117

414电极/溶液界面电子的隧道效应123

42电极/溶液界面的量子化学模拟128

421计算方法与模型128

422催化剂的反应活性和电子构型的计算134

423溶剂效应150

424电极电势的模拟159

43电极过程动力学模拟及其应用169

431氧气电催化还原169

432甲醇电催化氧化176

433电催化非线性动力学过程模拟180

44总结与展望190

参考文献190

第5章燃料电池催化剂新材料

51质子交换膜燃料电池及催化剂概述196

52阳极催化剂200

521氢氧燃料电池阳极催化剂200

522DMFC阳极催化剂202

523DFAFC阳极催化剂212

524DEFC阳极催化剂220

53阴极催化剂224

531阴极氧电还原机理224

532铂基催化剂225

533非铂基金属催化剂227

54催化剂制备方法231

541浸渍液相还原法231

542胶体法233

543微乳液法235

544电化学法235

545气相还原法236

546气相沉积法237

547高温合金化法237

548羰基簇合物法237

549预沉淀法238

5410离子液体法238

5411喷雾热解法238

5412固相反应法239

5413多醇过程法240

5414微波法240

5415组合法241

5416离子交换法241

5417辐照法241

55载体242

551炭黑242

552中孔碳243

553CNTs245

554碳凝胶247

555空心碳247

556碳卷249

557碳纤维250

558碳纳米分子筛250

559碳化钨251

5510硬碳252

5511碳纳米笼252

5512金刚石252

5513富勒烯252

5514石墨烯253

参考文献253

第6章氢电极电催化

61氢电极反应及其电催化概述270

62氢的电化学吸附273

621氢的欠电势吸附274

622氢的过电势吸附278

623氢吸附的谱学技术研究280

624氢吸附的理论计算研究281

63氢电极反应机理286

64氢电极反应动力学288

641氢电极反应交换电流密度的测量288

642交换电流密度的火山关系图290

643温度对氢电极反应动力学的影响294

65氢电催化的Pt表面结构效应296

66氢电催化的铂纳米粒径效应297

67总结与展望302

参考文献304

第7章铂基催化剂上的氧还原电催化

71概述307

72Pt单质金属催化剂309

721Pt单晶的晶面取向、阴离子吸附对氧还原性能的影响309

722Pt纳米催化剂的粒径效应314

73铂基二元模型电催化剂的氧还原行为323

74Pt及其合金的氧还原活性趋势的理论预期329

75Pt基金属纳米催化剂334

76ORR机理的研究进展338

77总结与展望343

参考文献344

第8章几种代氢燃料分子的直接电催化氧化

81硼氢化物的直接电催化氧化353

811硼氢化物作为代氢阳极燃料的优势与问题353

812不同金属上硼氢化物电氧化的基本行为354

813BH-4在金属电极上的电氧化模型360

814硼氢化物的直接电催化氧化小结364

82氨的直接电催化氧化364

821氨的直接电催化氧化概述364

822氨在Pt及其合金上的电氧化行为365

823氨在金属镍上的电氧化行为371

83硼氮烷作为阳极燃料的电催化376

831硼氮烷作为阳极燃料的电催化概述376

832BH3NH3在Ag电极上的电氧化377

833几种典型催化剂上硼氮烷的直接电氧化381

834总结与展望385

参考文献385

第9章有机小分子电催化

91概述388

92 CO的电催化氧化390

921CO在金属表面的吸附390

922CO在Pt表面电氧化391

923纳米Pt表面CO的电氧化：尺寸及晶面效应394

924PtRu合金表面CO电氧化的“双功能机理”395

925d带能级与表面偏析对电催化的影响397

93甲醇的阳极氧化399

931甲醇的电氧化机理399

932甲醇电氧化催化剂的设计400

94甲酸的电催化氧化402

941Pt表面甲酸电氧化机理402

942Pd表面甲酸电氧化404

943甲酸电氧化催化剂的设计405

95乙醇的电催化氧化407

96碱性环境中C1小分子的电氧化408

961碱性条件下CO电催化氧化409

962碱性条件下甲醇的电催化氧化409

97总结与展望411

参考文献412

第10章酶电催化

101酶的基本结构与功能418

1011酶的基本概念418

1012酶的活性中心418

1013酶的一级结构与催化功能的关系419

1014酶的二级和三级结构与催化功能的关系419

1015酶的四级结构与催化功能的关系421

102酶催化反应的一般理论422

1021酶催化反应理论422

1022酶催化反应的动力学424

1023酶催化反应的动力学参数的求取426

103酶催化反应的电化学427

1031酶催化反应的电化学研究方法427

1032酶催化反应的电流理论434

1033酶在电极表面的固定439

104酶催化电化学研究的几个重要例子451

1041葡萄糖氧化酶452

1042反丁烯二酸还原酶和丁二酸脱氢酶454

1043过氧化物酶459

1044钼氧转移酶462

1045细胞色素P450酶467

1046氢酶469

1047含铜氧化酶471

105酶电化学催化的应用472

1051用于底物的定量测定473

1052用作生物燃料电池的电极催化剂478

1053电化学免疫分析482

1054DNA杂交检测483

参考文献484

第11章光电催化

111概述495

112光电催化原理498

1121太阳能光电催化原理498

1122环境光电催化原理503

113光电催化剂与光电催化反应507

1131TiO2光电催化剂的制备507

1132提高TiO2光催化活性的途径510

1133WO3光电催化剂512

1134CdS光电催化剂514

1135ZnO光电催化剂515

1136新型配合物半导体光电催化剂517

1137具有光电催化功能的聚合物纳米复合材料517

1138光电催化剂的表征518

1139光电催化反应527

114重要的光电催化过程及应用541

1141光电催化电解水制氢541

1142光电催化对典型有机污染物的降解542

115光电催化的研究方法544

1151光催化研究过程的分析方法545

1152光电催化的动力学研究549

1153光电化学研究方法552

参考文献561

第12章燃料电池电催化

121燃料电池的分类和性能567

1211燃料电池分类568

1212燃料电池性能568

122燃料电池电催化571

1221催化剂概述571

1222电催化反应特点573

1223催化剂的表征方法578

1224催化剂的结构组成588

1225催化剂的电催化性能592

1226催化剂的耐久性596

123总结与展望604

参考文献605

第13章工业过程电催化

131氯碱工业过程电催化609

1311氯碱工业概述609

1312氯碱电解槽的析氯阳极电催化612

1313氯碱电解槽的析氢阴极电催化619

132湿法冶金工业电积过程电催化621

1321湿法冶金工业概述621

1322氯化物水溶液中Ni、Co电积过程电催化624

1323硫酸溶液中Ni电积过程电催化625

1324硫酸溶液Zn电积过程电催化629

133熔盐铝电解过程电催化639

1331熔盐铝电解工业概述639

1332碳素阳极的掺杂电催化640

1333碳素阳极掺杂电催化机理645

1334锂盐阳极糊及其工业应用649

1335预焙阳极的掺杂电催化与综合改性651

参考文献652

索引659 2100433B

优点为绿色的氢化反应：不需要高压氢气等还原剂；反应条件温和；氢气过程易于控制。

在碱性介质中，水在阴极被还原生成活性氢原子，此活性氢原子在阴极表面催化靛蓝分子的羰基加氧，在氢氧化钠碱性介质中生成靛蓝隐色体钠盐。副反应主要是析氢反应，降低了电解效率。