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，卷:8(1)

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现代电化学理论:学术象牙塔的科学还是当今研究的重要工具?

*通信:

Enno Katelhon化学系、物理系及理论化学英国牛津大学实验室电子邮件: (电子邮件保护)

简介

电化学着迷于它所包含的物理效应和系统的巨大多样性，以及它所攻击的问题的跨学科性质，将其置于物理、化学和数学的界面。从历史上看，从16世纪对电流的研究和17世纪早期的第一批电池的研究开始，实验和理论的结合努力使法拉第不久后发现了电解的基本定律，一百年后，海罗夫斯基发明了极谱法。这些发现仍然为今天的大多数电化学和电分析研究奠定了基础，即使现在应用在更广泛的背景下:除了在分子检测方面的巨大进步之外物种在电池的发展过程中，在过去的几十年里，人们对生物传感，对个体的测量和表征越来越感兴趣纳米粒子，以及个体生物的检测物种比如酶病毒和单个细胞

尽管与电化学有关的物理系统种类繁多，但在许多情况下可以应用类似甚至相同的理论工具。一方面，在电化学严格定义的意义上，非均相化学反应通过适当的动力学模型与界面上的电流联系起来。另一方面，电活性的质量输运物种考虑到，通常可以建模为各向同性或各向异性扩散在少数情况下两者结合扩散和对流。一旦确定了相应的模型，就可以通过求解边界条件下的质量输运方程来进行重要的理论预测，该方程将化学反应与电极电位联系起来，并通过菲克定律和法拉第定律评估电极电流。

众多分析数值方法为上述质量输运问题提供了解决方法。在少数相当简单的情况下，分析结果可以通过拉普拉斯数学得到，如1964年的著名论文[1尼克尔森和沙恩。然而，更复杂的几何和边界条件的解通常需要使用数值方法，如有限差分、有限元素或随机游走，并且可以通过商业软件包或自制的[2)软件。然而，值得注意的是，计时安培法和循环伏安法，这至少为大多数电化学研究提供了一个起点，对于常见的情况，存在简单的解析解:容易获得的量，如时安培图中的稳态电流或信封背面第一个电流的高度，而相应的方程在标准教科书中已提供[3.,4)，而且只要在网上快速搜索就可以找到。

下面我再回到这篇社论的标题，主要是受到两个观察的启发:

首先，回顾最近的文献表明电化学社区普遍欣赏新理论的发展，这可以从同行评审期刊上发表的大量研究中看出。与此同时，可以观察到，尽管有适当的理论的可用性，实验结果往往不与它们的理论等价物进行比较。虽然这其中的原因很复杂，超出了本文的范围，但有充分的理由值得投入时间和精力:

反应模型的验证

如果有适当的理论存在，预期的反应模型可以通过直接比较来证实。可以证明，所建议的物理过程实际上符合理论预测，其他过程可以被排除。

额外信息的提取

关于所研究系统的重要性质的重要信息可以很容易地从实验数据中提取出来。电极动力学可以被识别和量化，揭示物质传输的本质。

参考价值

新型电极材料的性能，如某些多孔的、纳米结构的或化学修饰的材料，可以直接与标准体系的性能进行比较。通过这种方法，人们不仅可以表明一种材料比另一种材料性能更好，而且可以为未来的研究提供确切的参考值。鉴于理论工具的广泛可用性和可以从实验研究中获得的重要的额外物理见解，我想利用这个机会鼓励在实验研究中更广泛地考虑理论发现。

参考文献

1. 李志强，李志强。固定式电极极谱的理论研究。单扫描和循环方法应用于可逆、不可逆和动力学系统。肛交化学。1964;36(4):706-23。
2. 康普顿RG, Laborda E, Ward KR.理解伏安法:电极过程的模拟。帝国理工学院出版社，2013年。
3. 巴德AJ，福克纳LR。电化学方法:基础与应用。第二版，威利;2001年。
4. 康普顿RG，班克斯CE。理解伏安法。第二版。帝国理工学院出版社，2011年。