圖解電化學

Galvani解剖蛙腿、Volta製作電池、Faraday提出電解定律、Nernst發現電位 電化學估算法、Butler整合出電流方程式、Marcus建立電子轉移模型，再加上眾人合力奠定了各種層面的學理基礎，終使電化學成為應用科學中的重要技術。尤其進入21世紀後，人類面臨了更嚴峻的能源、資源、汙染、氣候與疾病挑戰，電化學技術恰能在這些領域中發揮特長，因而產生了能源轉換與儲存、資源再利用、金屬防蝕、環境保護、生醫感測等應用，再加上發展已久的金屬冶煉、化學品製造和物件表面加工，使電化學原理深入化工、材料、環工、機械、電子、生醫等工程。然而，創新的應用皆須立足於電化學的基礎原理，以及電化學的分析方法。因此，本書逐步說明了電化學原理、電化學分析和電化學應用，期許讀者能有所收穫，進一步投入電化學的研究，成為具有延伸專長能力的T型人才，或熟稔雙重專長的π型人才。

吳永富
【現職】
明志科技大學化學工程系 副教授
明志科技大學半導體材料與製程學士學程 主任
【學歷】
臺灣大學化學工程所 博士
臺灣大學化學工程系 學士
【經歷】
工研院電子研究所 工程師
工研院平面顯示中心 研發課長
明志科技大學化學工程系 系主任
【著作】
電化學工程原理（五南文化）
電化學工程應用（五南文化）
圖解輸送現象（五南文化）
圖解單元操作（五南文化）


林律吟
【現職】
國立臺北科技大學化學工程與生物科技系 教授
【學歷】
國立臺灣大學化學工程系 博士
國立臺灣大學化學工程系 學士

自序1──吳永富
十八世紀末，一件蛙腿抖動的意外開啟了電化學的研究，追根究柢的伏打掌握了電化學現象的本質，站在伏打肩膀上的戴維則發現了諸多元素，但是他更重大的發現卻是一位書店裝訂工送來的演講筆記。後來這份筆記的整理者謙和且深遠地衝擊了人類文明，他整合了化學、電學和磁學，為後世的電力與通訊鋪上軌道。愛因斯坦的書房中，長期懸掛著他的畫像，表彰後世的崇敬；英國的西敏寺內，牛頓的墓地旁，原本也為他留下一塊地，但他婉拒此般殊榮，僅向妻子言及，他以前只是鐵匠的兒子和書店的學徒，以後在墓碑上不需任何尊稱，只要刻上麥克．法拉第。
法拉第最受人推崇的表現包括他的洞察能力、實證能力與推廣能力，儘管沒有深厚的學理基底，但仍可自建體系，產生創見。他對科學教育的普及化貢獻卓著，透過定期系列演講，展示科學研究成果，拉近人類與自然的距離。筆者謹遵前人的步伐，期望透過本書的撰寫，將電化學的沿革與發展、原理與應用、工具與方法，採取類似塗鴉的圖解型式，仿造傳統課堂的講桌黑板，描繪電化學的內涵，闡釋電化學的因果。每一單元搭配一張簡圖，視覺化地組織內容，不僅期望讀者能快速理解，也希冀讀者能延伸視野，終而見樹也見林。
本書承襲了分別著重於電化學之原理、分析和應用的國外巨著， 包括Newman 與Thomas-Alyea 撰寫的《Electrochemical Systems》、Bard 與Faulkner撰寫的《Electrochemical Methods》、Pletcher 與Walsh 撰寫的《Industrial Electrochemistry》。在有限的篇幅下，本書整合了上述三本巨著的精華，並且引入近期的研究方法與成果，相信書中內容能涵蓋開天闢地的伏打電池與現已普及的鋰離子電池，闡述之中發展出的材料科學、熱力學、動力學和分析化學。
在大學的講堂中，主要傳授求知方法和學理架構，本書參照前人的思維，從伽凡尼的猜想，到伏打的思辨，再進入戴維的應用，終而邁入法拉第的深化，期盼讀者從中獲益。另因科技演進刺激了今日的我們，必須思考永續發展的議題，在聯合國提出的17 項永續發展目標（SDGs）中，至少有5 項關聯到電化學，故期勉未來投入相關研究的讀者，除了追求真理、提升效能，也應利用電化學技術，促進環境永續。愛因斯坦早已提及：「關心人類和我們的命運，始終是所有科技努力的目標，在你的圖表與方程式中，永遠不要忘記這一點。」謹獻芻言共勉。


自序2──林律吟
綜觀眾多訪間出版的電化學書籍，大致可分為三種類型，包含電化學原理、電化學工業和電化學分析。於書籍當中作者已針對此三種面相提出解說，有效推動了電化學的教學和發展。總結來說，電化學的理論面涉及材料科學、熱力學、動力學和輸送現象。而電化學的應用面則包含化學工業、材料工業、機械工業、電子工業、環境工程和生醫工程等領域。另外，在實際應用電化學技術時，亦需整合程序設計和電腦輔助工程。因此，現代的研發工作無論是在實驗室或產業界進行，皆需使用精密的儀器和對應的分析方法，才能深入探究議題並且有效提升產能。
有鑑於此，本書於第一個核心當中，將會闡述電化學理論。首先將探討電極和電解液的界面，再深入研究界面的電子轉移過程，以及控制此過程的因素和方法。藉由掌握電化學基本原理，才能進入應用面的深入探討。本書於第二個核心當中，將會介紹電化學的分析方法。工欲善其事，必先利其器。唯有充分認識與運用實驗工具，並加以執行分析測試，才能找出解決問題的途徑以擴展技術應用的前景。現代電化學方法已廣泛應用於多個領域，本書於第三個核心中，將逐一介紹電化學技術的應用。相信透過實際案例的介紹，可更容易驗證電化學原理的實用性。然而，礙於篇幅，本書主要目標仍設定於閱後快速掌握電化學的入門概念，並進一步簡化前述的原理、分析與應用，以精要地羅列成本書的第二到第四章。除了上述介紹的內容之外，為了讓讀者能更清楚電化學歷史沿革和未來發展，本書的第一章和第五章亦提供相關說明，希冀讀者閱後能描繪電化學發展的輪廓與藍圖，並由此開創新局。
回想本人初次接觸電化學，是在就讀台大化工系大學三年級進行專題研究時，之後於求學與工作生涯發展中，電化學與本人的關係更為密不可分。身為電化學研究領域的學者，除了平時鑽研與教授電化學相關課程，也逐漸萌生推廣電化學的動機。藉由本次機會撰寫一本整合電化學知識的專書，希冀能分享本人有限的所知所學，提供讀者相關知識與經驗，共同利用電化學解決現今社會面臨的諸多挑戰，例如能源、資源、汙染、氣候和健康問題。善用電化學技術可在諸多議題中發揮關鍵作用，例如藉由能源轉換與儲存、資源再利用、金屬防蝕、環境保護和生醫感測等方式，研發出解決問題的有效方法。總結而言，預先理解基本原理和分析方法至關重要，希冀本書能作為讀者應對挑戰與推陳出新的堅固基石。

第一章　緒論
1-1 近代物理化學史　
1-2 電化學之起源　
1-3 電化學理論之發展　
1-4 電化學之後續進展　
1-5 電化學之術語　
1-6 氧化與還原　
1-7 電化學池　
1-8 微電池　
1-9 電子導體（I）　
1-10 電子導體（II）　
1-11 離子導體（I）　
1-12 離子導體（II）　
1-13 離子導體（III）　
1-14 電化學程序　
1-15 電化學應用　
1-16 電化學研究　

第二章　電化學原理
2-1 電雙層　
2-2 電化學位能　
2-3 金屬與電解液界面　
2-4 半導體與電解液界面　
2-5 電極電位　
2-6 槽電壓　
2-7 Nernst 方程式　
2-8 離子濃度與電位　
2-9 液體接面電壓　
2-10 電極程序　
2-11 電流與反應　
2-12 反應速率　
2-13 Butler-Volmer 動力學　
2-14 極化　
2-15 Tafel 動力學　
2-16 多步驟反應動力學　
2-17 平行反應動力學　
2-18 金屬溶解或腐蝕　
2-19 Evans 圖　
2-20 濃度極化動力學　
2-21 電結晶　
2-22 表面鈍化　
2-23 產氣反應　
2-24 電催化　
2-25 Marcus 動力學　
2-26 溶液成分的電子能階　
2-27 金屬電極的電子能階　
2-28 半導體電極界面　
2-29 半導體電極之電子轉移　
2-30 半導體照光　
2-31 光電化學反應　
2-32 光電化學池　
2-33 輸送現象　
2-34 動量輸送　
2-35 熱量輸送　
2-36 質量輸送　
2-37 電荷輸送　
2-38 擴散控制系統　
2-39 非穩態擴散　
2-40 電化學可逆　
2-41 對流控制系統　
2-42 多孔電極系統　
2-43 電流分布　
2-44 反應器設計　
2-45 批次操作　
2-46 連續操作　

第三章　電化學分析
3-1 電化學分析原理　
3-2 電化學分析方法　
3-3 電化學分析系統　
3-4 工作電極　
3-5 旋轉盤電極　
3-6 旋轉盤環電極　
3-7 參考電極　
3-8 電化學工作站　
3-9 電位與電流測量　
3-10 穩態極化曲線測量　
3-11 腐蝕電位與腐蝕電流測量　
3-12 暫態極化曲線測量　
3-13 階梯電流分析－（I）反應控制　
3-14 階梯電流分析－（II）質傳控制　
3-15 控制電量分析　
3-16 階梯電位分析―（I）反應控制　
3-17 階梯電位分析―（II）質傳控制　
3-18 線性掃描伏安法　
3-19 循環伏安法―（I）反應控制　
3-20 循環伏安法―（II）質傳控制　
3-21 溶出伏安法　
3-22 脈衝伏安法　
3-23 等效電路　
3-24 電化學阻抗譜―（I）電荷轉移　
3-25 電化學阻抗譜―（II）質量傳送　
3-26 電化學阻抗譜―（III）時間常數　
3-27 電化學阻抗譜―（IV）數據解析　
3-28 電化學雜訊法　
3-29 電化學活性面積測量　
3-30 電化學電容測量　
3-31 擴散係數測量　
3-32 電化學原位測量　
3-33 電化學原位紅外線光譜分析　
3-34 電化學原位拉曼光譜分析　
3-35 電化學原位質量分析　
3-36 電化學原位掃描探針分析　
3-37 掃描電化學顯微鏡　

第四章　電化學應用
4-1 電化學冶金　
4-2 電解提煉鋁　
4-3 電解提煉鋅　
4-4 鹼氯工業　
4-5 電解水產氫　
4-6 光電化學產氫　
4-7 電鍍銅　
4-8 電鑄　
4-9 化學鍍鎳　
4-10 陽極氧化鋁　
4-11 電泳沉積　
4-12 電解拋光　
4-13 電化學加工　
4-14 腐蝕防制　
4-15 陽極保護法　
4-16 陰極保護法　
4-17 鋅錳電池　
4-18 鉛酸電池　
4-19 鋰離子電池　
4-20 氫燃料電池　
4-21 甲醇燃料電池　
4-22 金屬空氣電池　
4-23 液流電池　
4-24 染料敏化太陽電池　
4-25 電化學電容　
4-26 薄膜蝕刻　
4-27 銅製程　
4-28 化學機械研磨　
4-29 電路板通孔電鍍　
4-30 電解回收　
4-31 電浮除與電混凝　
4-32 電化學降解　
4-33 電化學整治土壤　
4-34 電透析　
4-35 離子選擇電極　
4-36 氣體感測器　
4-37 離子感測場效電晶體　

第五章　總結
5-1 電化學反應器設計　
5-2 電化學程序設計　
5-3 電化學發展趨勢　

附錄　
參考資料