《电化学》教学大纲

一、课程基本信息

课程名称/英文名称: 电化学/Electrochemistry 课程代码: CHEM1530
课程层次: 本科生课程 学 分/学 时: 3/48
主要面向专业: , 授课语言: 中英文
先修课程: 建议先修课程说明: 高等数学,无机化学,物理化学
开课单位: 物质科学与技术学院 课程负责人: 马贵军

二、课程简介

电化学是探讨电能和化学能之间相互转化作用的一门学科,可作为一种研究方法、表征手段乃至生产技术,广泛应用于化工、材料、生物等领域。区别于一般的化学反应过程,电化学可通过仪器控制并追踪电子在电极/溶液界面间传递,可实时、高灵敏度记录电极表面化学反应过程。电化学学科内容建立于化学(尤其是物理化学)知识体系之上,本课程内容大体分为上下两部分,上半学期会从基础入手介绍电化学的基本概念,主要包括:溶液导电机理、电极/溶液界面微观结构、电势产生原理、电极反应热力学及表面动力学过程、金属电沉积及电氧化过程等。在熟练掌握电化学基础理论知识后,下半学期会进一步介绍电势阶跃法、循环伏安法、阻抗谱等电化学测试手段,以及电化学扫描探针显微技术、谱学电化学等研究方法,并在课程的最后会结合文献介绍电化学领域的一些研究进展及工业应用,如电催化反应、化学电源、工业电化学过程等。通过课程学习,可较为全面的掌握电化学的基本原理、测试技术、表征方法以及工业应用参数,为未来利用电化学技术开展相关研究打下基础。

三、课程教学目标

课程教学目标主要包括:(1)使学生系统、全面地掌握电化学的基本原理、测试手段、研究方法以及基本应用,加深对电化学反应过程本质的认识,从而指导实际研究;(2)使学生学会电化学的科学思维方法,培养学生提出问题、分析问题与解决问题的能力,其中特别注重培养学生运用书本上获取的知识来解决实际问题的习惯与能力。

四、课程教学方法

电化学课程知识点基本以课堂讲授为主,采用PPT加板书以及课堂讨论的方式进行。在上半学期关于电导、电势、电流这些基本知识点的讲解过程中,注重电化学与物理中的相关电学概念的类比,便于学生快速理解并领悟课程的重点及难点内容。采用问题导向的教学方法,引导学生对相关知识展开思考和讨论,使学生结合自身专业背景与知识储备,从数学、物理、化学的角度全方位理解电化学的基本原理,并可在大脑中形成对电化学反应过程的形象认识。
在下半学期关于电化学测试手段、研究方法、电催化以及工业电化学的介绍中,做到理论联系实际,既是对上半学期基本原理的复习与加深,也是对电化学在科研和生产中实际应用方式的学习,采用课堂互动与学生讲授的教学方法,鼓励学生亲自参与到电化学应用的教学过程中,充分激发学生学习的积极性与主动性。此外,这一阶段会在课堂中引入大量的文献介绍以及一定量的视频讲解,尽量丰富课程内容,让学生最终做到理论联系实际,数据验证理论。

五、课程教学内容与安排

以章节名称方式安排教学内容

章节名称

主要教学内容

(主要知识点)

教学周

学时安排

教学方法

(仅列名称)

绪论、溶液电导

课程简介及发展历程、电化学基本概念、电解质溶液描述方法(电导、电导率、迁移率、迁移数、离子氛、离子水合)

12


6学时

课堂讲授

电极电势和双电层结构

能斯特方程、电化学势、扩散电势、剩余电荷密度、零电荷电势、双电层、微分电容

34


6学时

课堂讲授

电势与电流

B-V方程、Tafel方程、交换电流密度、稳态扩散与暂态扩散、电势阶跃与电流阶跃、微电极

567


9学时

课堂讲授

反应机理、金属电沉积及阳极化

隧道跃迁、Frank-Condon原理、半导体电极、金属电沉积与过程

8


3学时

课堂讲授


期中考试

9


3学时

闭卷

电化学测量方法介绍

电化学工作站仪器介绍、电势阶跃、伏安法、阻抗谱

101112


9学时

课堂讲授

电化学研究方法

电化学扫描探针显微技术、谱学电化学、近常压X射线光电子能谱电化学

13


3学时

课堂讲授

电催化与反应机理

氢电极反应、氧电极反应、甲醇氧化反应、电化学体系中的振荡行为

14


3学时

课堂讲授

化学电源

固体及熔融盐离子导体电解质、一次电池、二次电池、燃料电池

15


3学时

课堂讲授

工业电化学过程

常用工业电化学参数、电化学制备氯气和氢氧化钠、电解水工艺、金属材料的电化学提取与提纯

16


3学时

课堂讲授


期末考试

17


3学时

闭卷


六、考核方式和成绩评定方法

1. 考核方式:期中、期末闭卷考试。平时与期中、期末成绩各占的百分比分别为平时成绩(20%)、期中成绩(45%),期末成绩(35%)。
2. 成绩评定:百分制

七、教材和参考书目

(一)、推荐教材

书名 作者 译者 出版社 出版年月 ISBN 版次
电化学测量方法 贾铮,戴长松,陈玲 化学工业出版社 2006-07 978-7-5025-9130-4 第一版
电化学基础教程(第二版) 高鹏,朱永明,于元春 化学工业出版社 2024-09 9787122456960 第三版
电化学 Carl H. Hamann, Andrew Hamnett, Wolf Vielstich 陈艳霞,夏兴华,蔡俊 化学工业出版社(第二版) 2010-01 978-7-122-07045-6 第二版
电化学测量方法 贾铮,戴长松,陈玲 化学工业出版社 2006-07 978-7-5025-9130-4 第一版
电化学基础教程(第二版) 高鹏,朱永明,于元春 化学工业出版社 2024-09 9787122456960 第三版
电化学 Carl H. Hamann, Andrew Hamnett, Wolf Vielstich 陈艳霞,夏兴华,蔡俊 化学工业出版社(第二版) 2010-01 978-7-122-07045-6 第二版

(二)、参考书目

书名 作者 译者 出版社 出版年月 ISBN 版次
电化学方法原理和应用 Allen J. Bard; Larry R. Faulkner 邵元华,朱果逸,董献堆, 张柏林 化学工业出版社 2005-05 987-7-5025-6704-0 第二版
电化学原理 李荻 北京航空航天大学出版社 2008-08 978-7-81124-416-8 第三版
电化学方法原理和应用 Allen J. Bard; Larry R. Faulkner 邵元华,朱果逸,董献堆, 张柏林 化学工业出版社 2005-05 987-7-5025-6704-0 第二版
电化学原理 李荻 北京航空航天大学出版社 2008-08 978-7-81124-416-8 第三版

八、学术诚信教育

本课程高度重视学术诚信,严禁抄袭、作弊等行为。
“在学习、科研、实习实践等活动中,学生应恪守学术道德,坚守学术诚信,保护知识产权,坚持勇于创新、求真务实的科学精神,努力培养自己严谨求实、诚实自律、真诚协作的科学态度,成为良好学术风气的维护者、严谨治学的力行者、优良学术道德的传承者。”

九、其他说明(可选)

《Electrochemistry》Syllabus

1.Basic course information

course name Electrochemistry course code CHEM1530
Course Level Undergraduate Credit/Contact Hour: 3/48
Major: , Teaching Language Chinese and English
Prerequisite NULL Prerequisite suggestion Higher Mathematics, Inorganic Chemistry, Physical Chemistry
School/Institute School of Physical Science and Technology Instructor maguijun

2.Course Introduction

By means of electrochemical instruments, researchers are capable to control and track the transport of electrons between conductors. It is a real-time and highly sensitive technique reflecting the conversion process from electric energy to chemical energy.  Electrochemistry is widely applied in the research of chemistry and chemical engineering, material science, and biology et al. This course starts with the introduction of basic theories in electrochemistry including fundamental concepts, electrode/electrolyte interface properties, and thermodynamic and kinetic of electrochemical reactions. Besides, several electrochemical analytical methods are introduced such as Cyclic Voltammetry and Impedance Spectroscopy etc. On the basis of the theories and methods, this course will further discuss several research frontiers in electrochemistry.

3.Learning Goal

The main objectives include: (1) to make students grasp the basic knowledge and principles systematically and to improve the understanding of electrochemical nature for practical use; (2) to help students form the scientific ways of thinking, foster the capability of raising questions, studying questions and analyzing questions, and especially cultivate the abilities to acquire knowledge and solve practical problems.

4.Instructional Pedagogy

Classroom teaching by PPT, white board and discussion.

5. Course Content and Schedule

Course Structure by Chapter

Chapter

Teaching Contents

Week

Contact Hours

Teaching Modes

Introduction, Electrical conductivity

The basic components of electrochemical systems, electrolyte conductivity, ion mobility, ionic cloud

Week 1, 2

6 periods

Classroom Teaching

Electrode potential and double-layer structure

Nernst equation, Galvani potential, Diffusion potential, Electrolytic double layer,

Week 3, 4

6 periods

Classroom Teaching

Potential and current

The kinetics and thermodynamics of electrochemistry, B-V and Tafel equation, Exchange current density, Micro-electrodes

Week 5, 6, 7

9 periods

Classroom Teaching

Mechanism, metal dissolution and passivation

Frank-Condon theory, Metal electroplating, Mixed electrodes and corrosion

Week 8


3 periods

Classroom Teaching


Mid-term examination

Week 9


3 periods

Close-book exam

The introduction of electrochemical methods

Potential stat equipment, CV and AC measurements

Week 10, 11, 12


9 periods

Classroom Teaching

The introduction of characterization methods

Electrochemical SEM, AFM, STM, IR and XPS etc.

Week 13


3 period

Classroom Teaching

Electrochemical catalysis

Hydrogen electrode, Oxygen electrode, Methanol oxidation

Week 14


3 periods

Classroom Teaching

Electrochemical power

Ionically conducting solids and melts, primary and secondary cells

Week 15


3 periods

Classroom Teaching

Industrial electrochemistry

Electrochemical preparation of Chlorine and NaOH, Water electrolysis

Week 16


3 period

Classroom Teaching


Final examination

Week 17


3 periods

Close-book exam


6.Grading Policy

The final score is based on the regular grades (20%), mid-term exam (45%) and final exam (35%) score. The hundred-mark system will be used to evaluate.

7. Textbook & Recommended Reading

(1) Textbook

book name author translator press publication time ISBN edition
电化学测量方法 贾铮,戴长松,陈玲 化学工业出版社 2006-07 978-7-5025-9130-4 第一版
电化学基础教程(第二版) 高鹏,朱永明,于元春 化学工业出版社 2024-09 9787122456960 第三版
电化学 Carl H. Hamann, Andrew Hamnett, Wolf Vielstich 陈艳霞,夏兴华,蔡俊 化学工业出版社(第二版) 2010-01 978-7-122-07045-6 第二版
电化学测量方法 贾铮,戴长松,陈玲 化学工业出版社 2006-07 978-7-5025-9130-4 第一版
电化学基础教程(第二版) 高鹏,朱永明,于元春 化学工业出版社 2024-09 9787122456960 第三版
电化学 Carl H. Hamann, Andrew Hamnett, Wolf Vielstich 陈艳霞,夏兴华,蔡俊 化学工业出版社(第二版) 2010-01 978-7-122-07045-6 第二版

(2) Recommended Reading

book name author translator press publication time ISBN edition
电化学方法原理和应用 Allen J. Bard; Larry R. Faulkner 邵元华,朱果逸,董献堆, 张柏林 化学工业出版社 2005-05 987-7-5025-6704-0 第二版
电化学原理 李荻 北京航空航天大学出版社 2008-08 978-7-81124-416-8 第三版
电化学方法原理和应用 Allen J. Bard; Larry R. Faulkner 邵元华,朱果逸,董献堆, 张柏林 化学工业出版社 2005-05 987-7-5025-6704-0 第二版
电化学原理 李荻 北京航空航天大学出版社 2008-08 978-7-81124-416-8 第三版

8.Academic Integrity

This course highly values academic integrity. Behaviors such as plagiarism and cheating are strictly prohibited.

9.Other Information (Optional)