Электрокатализ

ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗ, изменение скорости или направления электрохим. процесса в зависимости от материала электрода или модификации его пов-сти. Термин "электрокатализ" относят к процессам, общие стехиометрич. ур-ния к-рых не включают материал электрода, напр. выделение водорода, кислорода, хлора, электроокисление или электровосстановление орг. соединений и т. п. Электрохим. р-ции типа анодного растворения меди (Сu Сu²⁺ + 2е) или катодного восстановления анионов док электрокаталитическим не относятся.
Как правило, электрокаталитическими являются многостадийные процессы, в к-рых одной из обязат. стадий является адсорбция на электроде тех или иных компонентов электродной р-ции (исходных, промежуточных или конечных). Это связано с тем, что с учетом структуры двойного электрического слоя скорость р-ции, не сопровождающейся адсорбцией, оказывается практически не зависящей от материала электрода. Нек-рые ученые относят к электрокатализу лишь процессы, в к-рых имеет место хемосорбция к.-л. компонентов р-ции.
Типичным злектрокаталитич. процессом является электроокисление орг. соед. на металлах платиновой группы, к-рое, как правило, сопровождается деструкцией исходных молекул, их дегидрированием (или их фрагментов), прочной хемосорбцией промежут. частиц, причем нек-рые из этих частиц м. б. каталитич. ядами по отношению к токоопределяющему маршруту анодного процесса. Так, электрокаталитич. окисление предельных углеводородов (C₁-C₆) на Pt-электроде до СО₂ обусловлено наличием сложной цепочки промежут. стадий, включающей разрыв связей С — С, С — Н, хемосорбцию фрагментов исходных молекул на пов-сти металла-катализатора, участие в отд. стадиях адсорбир. молекул Н₂О_адс или частиц ОН_адс и т. п. Граница между "чисто электрохимич." и электрокаталитич. р-циями является весьма условной.
Осн. отличие электрокаталитич. р-ций от гетерогенно-каталитических - зависимость скорости процесса от потенциала электрода Е. Кинетич. ур-ние электрокаталитич. р-ции выражает аналит. связь между током I через электрохим. ячейку и потенциалом Е, объемной концентрацией с_i исходных реагирующих в-в, поверхностными концентрациями (заполнениями пов-сти) частиц, участвующих в токоопределяющем маршруте (или маршрутах) процесса и других адсорбир. или хемосорбир. частиц, таких, как ионы р-ра, продукты превращения исходных реагентов и молекул р-рителя и т. п. В общем виде это выражение можно записать след. образом:

где k - постоянная. Меняя Е, можно на неск. порядков изменить скорость целевой р-ции; при этом значение Е влияет как на энергию активации р-ции, так и (в осн.) на поверхностные концентрации и Во мн. случаях с изменением Е меняются не только и но и природа частиц j и т, что приводит к изменению направления электродного процесса. В электрокатализе, как и в жидкофазном катализе, важную роль играет адсорбция р-рителя, однако спецификой электрокатализа является возможность участия в разл. стадиях процесса частиц, образующихся в результате электрохим. р-ций с участием р-рителя (напр., в водных р-рах - частиц Н_адс и ОН_адс). Другая особенность электрокатализа - адсорбция на пов-сти ионов фонового электролита и ее влияние на электродные р-ции.

В электрокатализе широко используют модифицирование пов-сти домонослойными, моно- или полислойными покрытиями. Адатомы, образующиеся в результате адсорбции ионов с практически полным переносом заряда (напр., Sn²⁺ + 2eSn_адс), также нередко активируют пов-сть. Модифицирование пов-сти разл. непроводящими орг. соед., включая металлоорг. комплексы и полимеры, позволяет создавать системы со специфич. адсорбционными и каталитич. св-вами, обусловленными в первую очередь функц. группами модификатора. Для таких систем часто используют назв. "химически модифицированные электроды". Ускорение электрохим. р-ций в присутствии биол. катализаторов - ферментов - часто наз. биоэлектрокатализом.

Лит.: Проблемы электрокатализа, под ред. B.C. Багоцкого, М, 1980; Электродные процессы в растворах органических соединений, под ред. Б. Б. Дамаскина, М., 1985; Appleby A. J., в кн.: Comprehensive treatise of electrochemistry, v. 7, N. Y.- L., 1983, p. 173-239.

Б. И. Подловченко.