光电催化的科学原理

半导体光电极 在将光能转换为化学能的光电化学电池中，用半导体材料作光电极，起光吸收和光催化作用。n型半导体构成光阳极,只催化氧化反应p型半导体构成光阴极，只催化还原反应。但半导体表面一般不具有良好的反应活性，电极反应往往需较高的过电位。经过适当的表面处理(如热处理、化学刻蚀和机械研磨等)来改变电极的表面状态（如价态分布、晶格缺陷、晶粒粒度、比表面和表面态分布等），可以大大改善其催化活性。

表面修饰的半导体光电极 单纯半导体光电极一般催化活性不高，采用表面修饰方法（如沉积法、强吸附法、共价法和聚合成膜法等）将具有某些功能的物质(金属、半导体、化学基团和聚合物)附着于电极表面,使它成为表面修饰电极，就能改善和扩大电极功能。当具有催化活性的物质以高分散的岛状分布修饰在半导体电极表面并形成透光的肖特基接触时，就可能改变反应势垒，提高反应速率。例如，在半导体二氧化钛光阳极表面修饰上铂或钯，可大大提高乙醇水溶液光电催化氧化同时放氢的速率。

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(1)银电极的制备

将欲镀之银电极两只用细砂纸轻轻打磨至露出新鲜的金属光泽，再用蒸馏水洗净。将欲用

的两只Pt 电极浸入稀硝酸溶液片刻，取出用蒸馏水洗净。将洗净的电极分别插入盛有镀银

液(镀液组成为100mL 水中加1.5g 硝酸银和1.5g 氰化钠)的小瓶中，按图Ⅲ　15 　1 接好

线路 ，并将两个小瓶串联，控制电流为0.3mA，镀1h，得白色紧密的镀银电极两只。

(2)铜电极的制备

将铜电极在1∶3 的稀硝酸中浸泡片刻，取出洗净，作为负极，以另一铜板作正极在镀铜液

中电镀(镀铜液组成为:每升中含125gCuSO4�6�15H2O，25gH2SO4，50mL 乙醇)。控制电流为

20mA，电镀20min 得表面呈红色的Cu 电极，洗净后放入0.1000mol�6�1kg-1CuSO4 中备用。

(3)锌电极的制备

将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻，取出洗净，浸入汞或饱和硝酸亚汞溶液中约10s，表面

上即生成一层光亮的汞齐，用水冲洗晾干后，插入0.1000mol�6�1kg-1ZnSO4 中待用。

二、盐桥的制备

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1、琼酯－饱和KCl 盐桥： 烧杯中加入琼酯3 克和97ml 蒸馏水，在水浴上加热至完全溶解。

然后加入30 克KCl 充分搅拌，KCl 完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好

的玻璃管中，静置待琼酯凝结后便可使用。琼酯－饱和KCl 盐桥不能用于含Ag＋、Hg2

2＋等

与Cl－作用的例子或含有ClO4－等与K+作用的物质的溶液。

2、3%琼酯－1mol�6�1dm－3 K2SO4盐桥：适用于与作用的溶液，在该溶液中可使用Hg―Hg2SO4―

饱和K2SO4 电极。

3、3%琼酯－1mol�6�1dm－3 NaCl 或LiCl 盐桥：适用于含高浓度的ClO4－的溶液，在该溶液

中可使用汞－甘汞－饱和NaCl 或LiCl 电极。

4、NH4NO3 盐桥和KNO3 盐桥在许多溶液中都能使用，但它与通 常的各种电极无共同离子，

因而在共同使用时会改变参考电极的浓度和引入外来离子，从而可能改变参考电极的电势 。

另外在含有高浓度的酸、氨的溶液中不能使用琼酯盐桥。

5、（1）简易法

用滴管将饱和KNO3(或NH4NO3)溶液注入Ｕ型管中，加满后用捻紧的滤纸塞紧Ｕ型管两端

即 可，管中不能存有气泡。

(2) 凝胶法

称取琼脂1g 放入50mL 饱和KNO3 溶液中，浸泡片刻，再缓慢加热至沸腾，待琼脂全部溶

解后 稍冷，将洗净之盐桥管插入琼脂溶液中，从管的上口将溶液吸满(管中不能有气泡)，

保持 此充满状态冷却到室温，即凝固成冻胶固定在管内。取出擦净备用。

三、电镀常识

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电镀常识

表面处理的基本过程大致分为三个阶段：前处理，中间处理和后处理。

1 前处理

零件在处理之前，程度不同地存在着毛刺和油污，有的严重腐蚀，给中间处理带来很大困

难，给化学或电化学过程增加额外阻力，有时甚至使零件局部或整个表面不能获得镀层或

膜层，还会污染电解液，影响表面处理层的质量。包括除油、浸蚀，磨光、抛光、滚光、

吹砂、局部保护、装挂、加辅助电极等。

2 中间处理

是赋予零件各种预期性能的主要阶段，是表面处理的核心，表面处理质量的好坏主要取决

于这一阶段的处理。

3 后处理

是对膜层和镀层的辅助处理。

电镀过程中的基本术语

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1 分散能力

在特定条件下，一定溶液使电极（通常是阴极）镀层分布比初次电流分布所获得的结果更

为均匀的能力。亦称均镀能力。

2 覆盖能力

镀液在特定条件下凹槽或深孔处沉积金属的能力。亦称深镀能力。

3 阳 极

能够接受反应物所给出电子的电极，即发生氧化反应的电极。

4 不溶性阳极

在电流通过时，不发生阳极溶解反应的电极。

5 阴 极

反应于其上获得电子的电极，即发生还原反应的电极。

6 电流密度

单位面积电极上通过的电流强度，通常以 A/dm2 表示。

7 电流密度范围

能获得合格镀层的电流密度区间。

8 电流效率

电极上通过单位电量时，其一反应形成之产物的实际重量与其电化当量之比，通常以百分

数表示。

9 阴极性镀层

电极电位的代数值比基体金属大的金属镀层。

10 阳极性镀层

电极电位的代数值比基体金属小的金属镀层。

11 阳极泥

在电流作用下阳极溶解后的残留物。

12 沉积速度

单位时间内零件表面沉积出金属的厚度。

13 初次电流分布

在电极极化不存在时，电流在电极表面上的分布。

14 活 化

使金属表面钝化状态消失的作用。

15 钝 化

在一定环境下使金属表面正常溶解反应受到严重阻碍，并在比较宽的电极电位范围内使金

属溶解反应速度降到很低的作用。

16 氢 脆

由于浸蚀，除油或电镀等过程中金属或合金吸收氢原子而引起的脆性。

17 PH 值

氢离子活度 aH+ 的常用对数的负值。

18 基体材料

能在其上沉积金属或形成膜层的材料。

19 辅助阴极

为了消除被镀制件上某些部位由于电力线过于集中而出现的毛刺和烧焦等毛病，在该部位

附近另加某种形状的阴极，用以消耗部分电流，这种附加的阴极就是辅助阴极。

20 辅助阳极

除了在电镀中正常需用的阳极以外，为了改善被镀制件表面上的电流分布而使用的辅加阳

极。

21 电 解

使电流通过电解质溶液而在阳极，阴极引起氧化还原反应的过程。

22 极 化

当电流通过电极时，电极电位发生偏离平衡电位的现象。

23 皂化反应

油脂在碱性条件下的水解反应。

24 阴极极化

直流电通过电极时，阴极电位偏离平衡电位向负的方向移动的现象。

25 槽电压

电解时，电解槽两极之间的总电位差。

镀覆方法术语

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1 化学钝化

将制件放在含有氧化剂的溶液中处理，使表面形成一层很薄的钝态保护膜的过程。

2 化学氧化

通过化学处理使金属表面形成氧化膜的过程。

3 电化学氧化

在一定电解液中以金属制件为阳极，经电解，于制件表面形成一层具有防护性，装饰性或

其它功能氧化膜的过程。

4 电 镀

利用电解原理，使金属或合金沉积在制件表面，形成均匀、致密、结合力良好的金属层的

过程。

5 转 化 膜

对金属进行化学或电化学处理所形成的含有该金属之化合物的表面膜层。

6 钢铁发蓝（钢铁化学氧化）

将钢铁制件在空气中加热或浸入氧化性的溶液中，使之于表面形成通常为蓝（黑）色的薄氧

化膜的过程。

7 冲击电流

电流过程中通过的瞬时大电流。

8 光亮电镀

在适当条件下，从镀槽中直接得到具有光泽镀层的电镀。

9 合金电镀

在电流作用下，使两种或两种以上金属（也包括非金属元素）共沉积的过程。

10 多层电镀

在同一基体上先后沉积上几层性质或材料不同的金属层的电镀。

11 冲 击 镀

在特定的溶液中以高的电流密度，短时间电沉积出金属薄层，以改善随后沉积镀层与基体

间结合力的方法。

12 磷 化

在钢铁制件表面上形成一层不溶解的磷酸盐保护膜的处理过程。

13 热抗散

加热处理镀件，使基体金属和沉积金属（一种或多种）扩散形成合金的过程。

电池充电的名词解释

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充电率(C-rate)

C 是Capacity 的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。例如：充电电池的额

定容量为1100mAh 时，即表示以1100mAh（1C）放电时间可持续1 小时， 如以200mA（0.2C）

放电时间可持续5 小时，充电也可按此对照计算。

终止电压（Cut-off discharge voltage）

指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。根据不同的电池类型及

不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不

相同。

开路电压（Open circuit voltage OCV）

电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。 电池的开路电压，会依电池正、 负

极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多 大，

几何结构如何变化，起开路电压都一样的。

放电深度（Depth of discharge DOD）

在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。放电深度的高

低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，

因此在使用时应尽量避免深度放电。

过放电（Over discharge）

电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压

升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。

过充电（Over charge）

电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏

夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。

能量密度（Energy density）

电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是

镍镉电池的2.5 倍，是镍氢电池的1.8 倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会

比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。

自放电（Self discharge）

电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。若是以一个

月为单位来计算的话，锂离子电池自我放电约是1%-2%、镍氢电池自我放电约3 %-5%。

充电循环寿命（Cycle life）

充电电池在反复充放电使用下，电池容量回逐渐下降到初期容量的60%-80%。

记忆效应（Memory effect）

在电池充放电过程中，会在电池极板上产生许多小气泡，时间一久，这些气泡会减少电池极

板的面积，也间接影响电池的容量。

半导体纳米材料光电极的特性

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在纳米尺度范围内，半导体纳米材料显示出与块体不同的光学和电学性质：

1)表面效应

纳米粒子表面原子数随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加，无序度增加，键态严重失配，

出现许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表现出非化学平衡和非整数配位的化合价。这

就是导致纳米体系的化学性质和化学平衡体系出现很多差别的原因。其次表面积要比几何面

积大许多倍，光吸收系数大，可捕获较多的太阳光能，从而提高光的利用效率。

2)量子尺寸效应

随着粒径减小到纳米级时，单个纳米粒子所拥有的原子数目就较少，因而这些原子所形成的

固体导带或价带能带不再是连续的，具有高壁的势井，成为分立的能级，便产生量子尺寸效

应，因而有效带隙Eg 增大吸收光谱域值向短波方向移动，从而造成吸收蓝移；在这种效应

的作用下，纳米粒子的光生电子与块体相比则具有更负的电位，相应的具有更强的还原性，

而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。

3)介电限域效应

由于纳米粒子的尺寸小于载流子的自由程，因此可以降低光生载流子的复合。随着粒径的不

断减小，微粒的性质将受到表面状态的强烈影响。当在半导体超微粒表面上修饰某种介电常

数较小的材料时，他们的光学性质与裸露的超微粒相比发生了较大的变化。这是由于相对于

裸露粒子周围的介质而言，被包围的超微粒中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，因此

屏蔽效应减弱，带电粒子间的库仑力增强，结果增强了激子的结合能和振子强度。这就是介

电限域效应，反映到吸收光谱上就表现出明显的红移现象。

4)小尺寸效应

纳米颗粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干波长或透射深度等物

理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原

子密度减小，纳米颗粒表现出新的光、电、声、磁等体积效应。

镀前处理和镀后处理术语

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4.1 化学除油

在碱性溶液中借助皂化作用和乳化作用清除制件表面油污的过程。

4.2 电解除油

在含碱溶液中，以制件作为阳极或阴极，在电流作用下，清除制件表面油污的过程。

4.3 出 光

在溶液中短时间浸泡，使金属形成光亮表面的过程。

4.4 机械抛光

借助于高速旋转的抹有抛光膏的抛光轮，以提高金属制件表面光亮度的机械加工过程。

4.5 有机溶剂除油

利用有机溶剂清除制件表面油污的过程。

4.6 除 氢

将金属制件在一定温度下加热处理或采用其它方法，以驱除在电镀生产过程中金属内部吸

收氢的过程。

4.7 退 镀

将制件表面镀层退除的过程。

4.8 弱 浸 蚀

电镀前，在一定组成溶液中除去金属制件表面极薄的氧化膜，并使表面活化的过程。

4.9 强 浸 蚀

将金属制件浸在较高浓度和一定温度的浸蚀溶液中，以除去金属制件表面上氧化物和锈蚀

物的过程。

4.10 镀前处理

为使制件材质暴露出真实表面，消除内应力及其它特殊目的所需，除去油污、氧化物及内

应力等种种前置技术处理。

4.11 镀后处理

为使镀件增强防护性能，提高装饰性能及其它特殊目的而进行的（诸如钝化、热熔、封闭

和除氢等）处理。

电镀材料和设备术语

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5.1 阳 极 袋

用棉布或化纤织物制成的套在阳极上，以防止阳极泥渣进入溶液用的袋子。

5.2 光 亮 剂

为获得光亮镀层在电解液中所使用的添加剂。

5.3 阻 化 剂

能够减缓化学反应或电化学反应速度的物质。

5.4 表面活性剂

在添加量很低的情况下也能显著降低界面张力的物质。

5.5 乳 化 剂

能降低互不相溶的液体间的界面张力，使之形成乳浊液的物质。

5.6 络 合 剂

能与金属离子或含有金属离子的化合物结合而形成络合物的物质。

5.7 绝 缘 层

涂于电极或挂具的某一部分，使该部位表面不导电的材料层。

5.8 挂具（夹具）

用来悬挂零件，以便于将零件放于槽中进行电镀或其他处理的工具。

5.9 润 湿 剂

能降低制件与溶液间的界面张力，使制件表面容易被润湿的物质。

5.10 添 加 剂

在溶液中含有的能改进溶液电化学性能或改善镀层质量的少量添加物。

5.11 缓 冲 剂

能够使溶液PH 值在一定范围内维持基本恒定的物质。

5.12 移动阴极

采用机械装置使被镀制件与极杠一起作周期性往复运动的阴极。

电镀测试和检验相关术语

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6.1 不连续水膜

通常用于表面被污染所引起的不均匀润湿性，使表面上的水膜变的不连续。

6.2 孔 隙 率

单位面积上针孔的个数。

6.3 针 孔

从镀层表面直至底层覆盖层或基体金属的微小孔道，它是由于阴极表面上 的某些点 的电

沉积过程受到障碍，使该处不能沉积镀层，而周围的镀层却不断加厚所造成。

6.4 变 色

由于腐蚀而引起的金属或镀层表面色泽的变化(如发暗、失色等)。

6.5 结 合 力

镀层与基体材料结合的强度。

6.6 起 皮

镀层成片状脱离基体材料的现象。

6.7 剥 离

某些原因（例如不均匀的热膨胀或收缩）引起的表面镀层的破碎或脱落。

6.8 桔 皮

类似于桔皮波纹状的表面处理层。

6.9 海绵状镀层

在电镀过程中形成的与基体材料结合不牢固的疏松多孔的沉积物。

6.10 烧焦镀层

在过高电流下形成的颜色黑暗、粗糙、松散等质量不佳的沉积物，其中常含有氧化物或其

他杂质。

6.11 麻点

在电镀或腐蚀中，与金属表面上形成的小坑或小孔。

6.12 粗糙

在电镀过程中，由于种种原因造成的镀层粗糙不光滑的现象。

6.13 镀层钎焊性

镀层表面被熔融焊料润湿的能力。