以下文章来源于科泰催化 ，作者科泰催化 容容
不知道有没有小伙伴在刚入门的时候对电化学里的正极，负极，阴极，阳极，迷迷糊糊，懵懵懂懂的不知该如何分辨，反应发生在哪一极，里面又发生了什么样的反应机制？电子转移又是如何的？
理解这些电极反应和电子转移机制是我们学习电化学最最基础，也是是最最重要的。如果不把这些问题搞清，我们在后面的电化学合成以及测试分析上都会遇到很多问题无法解决。
今天我就用最简单的方法把这些问题讲明白了，搞清楚原理和机制，在后面解决电化学上的问题时就会迎刃而解。
电化学工作站涉及到的是一个电解池系统，就是通过施加电压将电能转化为化学能。我们给他一个电源，用来施加电压。电源的正极所连的就是电解池的阳极。电源负极所连接的就是电解池的阴极。在电极电势的驱动下，由于电势差，电子在电源中由正极流向负极，并沿着负极导线形成闭合的电流通路。但是电子由负极沿着导线到阴极极板的时候，电子传输就断掉了。断路是没有电流的。为了形成电流通路，在电解液中阴离子代替导线中的电子进行离子传输。从阴极极板传到阳极极板。在界面处又将电子给到阳极极板，通过导线流回正极。
这就构成了电解池系统中的闭合电流通路，该通路由两部分组成。一部分是导线中电子传输，电子邮政极流向负极。一部分是电解液中的离子传输，因离子由阴极流向阳极。涉及到电源的我们称为正极，负极；涉及到电解池的我们称为阴极和阳极。电源正极所连接的是电解池阳极，电源负极所连接的是电解池阴极。这样我们就把电解池这样我们就把电化学工作站 电解池系统里的正极，负极，阴极，阳极都搞明白了。
下面说一下他的电子转移机制。
我们都知道能量不会凭空产生，也不会凭空消失。那电子也是这样。电子源源不断的从电源的负极像阴极极板传输的时候。到阴极极板这里就断掉了。但是传输的电子不会凭空消失。那我们就知道在阴极极板表面肯定是发生了某种物质的得电子反应，把电子消耗掉了。
所以阴极发生的就是得电子的还原反应。电解液里氢氧根由阴向阳极迁移，那么与之相反的溶液中的阳离子如氢离子就会有阳极向阴极迁移。在阴极表面得电子。如两个氢质子得电子生成氢气。
2H+ + 2e- → H2
在碱性条件下发生的是水分子得电子生成氢气和氢氧根。
4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH-
同样，阳极极板上的电子不会凭空产生。肯定是发生了某种物质的失电子反应，在电解液与极板的界面处失电子，把电子传给阳极。
所以阳极发生的就是失电子的氧化反应。这里发生失电子的物质，就是从阴极极板或者电解液中向阳极迁移的氢氧根。这两个失去电子生成水和氧气。
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
这就是典型的电解水反应，整体反应是为: 2H2O → 2H2 + O2
其他的电化学反应也是如此。
我们回想一下在第一个视频里所讲到的几个重要的电催化反应的一个关系图。
横坐标X轴是相比于可逆氢电极的电极电势，纵坐标Y轴是电流密度。
X轴以上电流密度为正的是氧化区，发生氧化反应。如OER水氧化生成氧气。如氢气的氧化HOR生成水。还有有机小分子的氧化，生成高附加值的有机化合物。
X轴以下电流密度为负的是还原区，发生还原反应。如氢质子的还原生成氢气HER，氧气的还原生成水ORR。二氧化碳还原CO2RR生成碳一，碳二等等。
我们根据判断这些反应发生的是在哪个区，氧化反应还是还原反应，就可以倒推出他的发生在哪一极板，进而推出它发生了怎样的电子转移机制。
或者我们可以根据施加的电压的正负来判断阴阳极，与电源正极相连的就是电解池阳极，发生氧化反应。与负极相连的就是阴极，发生还原反应。进而推出他的电子转移机制。
那有人会问了，在电化学工作站中，电源是隐藏的，不知道我们施加的是正电还是负电？这个也简单。我们来到电化学工作站中的三电极系统。
电源未知我们以一个方框来表示。三电极系统包括三个电极。
第一个工作电极。我们用绿色的极板和导线来表示，工作电极在辰华电化学工作站中对应绿色的电极夹。
第二个是对电极。我们用红色的极板和导线来表示。因为我们在测试中用到的对电极多是碳棒或者石墨棒。所以我画一个碳棒的形式来表示对电极。对电极在辰华电化学工作站中，对应红色的电极夹。
第三个是参比电极。靠近工作电极，我用一个鲁金毛细管来表示，参比电极在辰华电化学工作站中对应白色的电极夹。
而我们所施加的电压也就是设定的电压，均是施加在了工作电极之上，也就是在电源工作电极这一端。
因为我们不知道所施加的电压为正还是负。我们可以把它分为两种情况。
对工作电极施加的是一个正向的电压的时候，与电源正极相连的工作电极就是阳极，阳极发生氧化反应。比如OER反应水氧化成氧气。比如HOR反应氢气氧化为水。比如有机小分子的氧化。生成其他的有机化合物。
另外一种情况对工作电极施加的是一个负向的电压的时候。与电源负极相连的工作电极就是阴极，阴极发生还原反应。比如HER氢质子或者水的还原，生成氢气。比如氧气的还原ORR生成水。如二氧化碳的还原CO2RR生成碳一碳二。
那可能会有人问你说施加的电压为正发生的是氧化反应，那为什么我做的氧还原ORR，施加的电压也是正值，但发生的是还原反应呢？
这里要注意，我们所说的施加电压为正还是负，是相比于对电极的。如果对电极刚好是可逆氢电极，以零为参考，正值就是氧化反应，负值就是还原反应。但如果对电极不是可逆氢，那我们就要根据对电极所发生的反应的标准电极电势来判断。
举个例子。
比如当施加电压为正的时候，氢氧根定向的向工作电极移动。那么阳离子氢质子就会定向的向对电极移动。并在对电极处发生得电子的还原反应HER反应生成氢气。生成氢气的标准电极电势是0V。所以工作电极发生的反应电极电势只要是在0V以上，工作电极就是阳极。比如水氧化的OER反应，它的标准电极电势是1.23V。氢气氧化生成水的HOR反应电极电势也在0V以上。有机小分子的氧化根据有机物的不同大都是在0.8~1V以上。这些反应就是氧化反应，对应电源施加的电压为正。
而另外一种情况，当施加电压为负的时候，此时工作电极为阴极。对电极为阳极。氢氧根定向的向对电极移动，并在对电极处发生失电子的氧化反应OER反应生成氧气。生成氧气的标准电极电势是1.23V。所以工作电极发生的反应电极电势只要是在1.23V以下，工作电极就是阴极。比如水或氢质子得电子还原反应HER反应，它的标准电极电势是0V。氧气还原生成水的ORR反应,电极电势也在0.2~1V之间。二氧化碳还原生成碳一碳二电极电势在0 V以下，比产氢的电位还要负。因为二氧化碳还原发生更不容易，需要更大的电势差来驱动。这些反应就是还原反应，对应电源施加的电压为负。
那我们就知道了电源施加电位的正负是相比于对电极的。
当工作电极电压大于对电极电压的时候，施加的电压就是正的。工作电极作为阳极发生氧化反应。
当工作电极电压小于对电极电压的时候，施加的电压就是负的。工作电极作为阴极发生还原反应。
以上我说到的这些电极电压都是换算成可逆氢电极电压进行比较的。
所以我们知道，施加的电压相比于对电极的电压是正或负的时候，我们就能推断它是阴极还是阳极，发生的是氧化反应还是还原反应。
反过来说，如果我们知道某个电极发生的反应是什么类型，是氧化反应还是还原反应，我们就能推出，该反应对应的是电解池的阴极还是阳极，从而推出施加的电压为正还是负。里面发生的电极反应与电子转移机制就一目了然了。
以上呢就是电化学工作站的原理，正极，负极，阴极，阳极的判别以及电子转移机制。我们利用这些机制就可以分析电化学合成以及测试中催化机制的问题。
希望大家都能真正的理解和掌握里面的电子转移机制，来解决我们在电化学合成与应用中的实际问题。
转自：“科研共进社”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
