电化学中重要的3个公式及其应用举例

相关内容导读：

3.

1. 法拉第定律

对于法拉第电解定律，在实际中常常用到的是计算法拉第效率，也即施加的电流用于某一个电化学反应的比例。法拉第效率往往能反映出材料的选择性。

应用举例：图B给出了在CO2电还原中CO和H2的法拉第效率，在低电位下该材料对CO的选择性是很高的，到了高电位H2逐渐占据主导。两者相加大约是90%，那么如果认为总法拉第效率是100%，剩下的10%基本可归结为HCOOH,CH3OH等液体产物。S12给出了计算法拉第效率的公式。

(B)CO and H2 overall faradaic efficiency (FE) at different applied potentials for WSe2 NFs.The error bars represent SD of four measurements.

参考文献：Asadi M, Kim K, Liu C, et al. Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid. Science 2016, 353(6298): 467-470.

2. 能斯特方程

由于Butler-Volmer方程和能斯特方程有一定的统一性，这里也介绍下B-V方程。

因此，对于能斯特方程，只有在动力学为0，即平衡状态下才试用。由于参比电极本身是个可逆性很高的电极，所以在实际中常常用能斯特方程来进行参比电极之间的换算。

应用举例：参比电极之间的换算。为了能与不同文献有对比性，往往我们会将相对参比电极的电势归一化到相对可逆氢电极的电势，而我们在做电化学实验的时候用的参比电极往往不是可逆氢电极，这时，我们就需要把实际测出来的电位换算到相对于可逆氢电极的电位。

还是上面那篇文献，实际用的是Ag/AgCl电极，需要转换成可逆氢电极RHE，supporting information给出了转换式子：

推导：

由于PH会影响RHE的电极电势，所以需要先对氢电极进行转化：

3. 塔菲尔公式

塔菲尔公式的数学表达式为: η=a+blogj

式中过电位和电流密度j均取绝对值(即正值)，a和b称为塔菲尔常数，它的大小和电极材料的性质、电极表面状态、溶液组成及温度等因素有关，根据塔菲尔斜率的大小，可以比较不同电极体系中进行电子转移步骤的难易程度。

塔菲尔公式与B-V方程：

应用举例：塔菲尔曲线在电化学析氧中应用非常广泛，对于确定电子步骤的难易程度具有重要的价值。俄勒冈大学Boettcher课题组的J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (10),3638–3648一文中对于这个应用做了详细讨论：

另一个方面，塔菲尔曲线也是一个直观地判别电催化剂活性的依据，对于OER而言，一般Tafel斜率越小，说明其活性越好，如下图所示，越靠向右下角的催化剂其活性越好（相同电流下过电位低）

备注：实际上在电化学研究中还有一些其他重要的公式，这里不一一列举，有机会咱们在分享文献的时候穿插介绍，欢迎大家批评指正。

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