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電化學工程應用

作　　者：吳永富
出版社別：五南
出版日期：2019/05/01(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-763-387-3
書　　號：5B44
頁　　數：592
開　　數：16K
定　　價：750元
優惠價格：675元

自伏打電池被發明以來，電化學工程歷經諸多演變與進展，現已成為應用科學中的重要技術。本書先勾勒電化學工程的基礎原理，再循序介紹電化學技術如何應用於：
－金屬冶煉
－化學品製造
－物件表面加工
－金屬防蝕
－能源轉換與儲存
－電子元件製作
－環境保護
－生醫感測
由於書中提供諸多跨領域的觀點，使主題涵蓋化學、材料科學、電磁學、古典力學與量子力學，非常適合化工、材料、環工、機械、電子、生醫等工程領域的讀者深入閱讀，以發展成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
現任明志科技大學化學工程系副教授，研究專長為電化學工程、輸送現象與光電半導體製程。1994年自臺灣大學化學工程系畢業，2000年則於臺灣大學化學工程所取得博士學位，後於工研院電子研究所與工研院平面顯示中心擔任研發主管，期間曾獲頒研究成就獎與優良規劃獎，擁有17件以上的專利，現則致力於培育人才之教學工作。

電化學工程(electrochemical engineering)涉及電能與化學能之間的轉換，是一門結合了電學與化學的學問與技術。在已記載的科學史中，電化學的起源可追溯至1780年代。當時的義大利科學家Luigi Galvani在解剖青蛙後，偶然發現到蛙腿的肌肉收縮，促使他於1791年發表生物體內存在神經電流物質(nerveo-electrical substance)的理論，由此架起電學與化學之間的橋樑，並引燃學術界對電化學的研究興趣。但在同一時期，Alessandro Volta卻不贊成Galvani的構想，他轉從金屬材料的角度切入研究，隨後使用了銅(Cu)和鋅(Zn)製作出伏打電堆(Voltaic pile)，構成史上第一個連續產生電流的裝置，同時也解釋了Galvani的蛙腿收縮實驗僅為托盤和刀片兩種不同金屬的偶然連接所致。在Volta之後，科學家開始利用電池探討電流對物質的作用，例如William Nicholson和Anthony Carlisle使用電堆來電解水，發現在兩個電極上不但會產生酸和鹼，還出現了氣體，後來才知道是氫氣(H2)和氧氣(O2)。在1807年，Humphry Davy成功地使用電解法製備出鉀(K)和鈉(Na)，後續還分離出鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca)、硼(B)等元素，是史上發現最多元素的化學家。
在19世紀中，雖然電化學的基礎理論尚未明朗，但其實務應用已經引發許多科學家的興趣，他們在運用電能時，發現伏打電池存在許多問題，例如電極腐蝕、輸出電壓不穩定，以及電流輸出時間不持久，致使電能的應用還無法普及於大眾。之後，英國化學家John Daniell在1836年嘗試使用素陶隔板分開兩個電極，並在隔開的兩區內分別加入兩種電解液，暫時解決了電池的特性衰減問題，後人稱此裝置為Daniell電池；同期間，英國物理學家William Grove則發明了可產生大電流的硝酸電池，以提供當時的電報業使用，但因操作時會產生危險氣體而無法續用；此外Grove還在1839年發明了氣體電池，是目前磷酸燃料電池的先驅。後於1886年，法國科學家Georges Leclanché發明了鋅錳電池，在素陶容器中填入碳粉(C)和二氧化錳粉(MnO2)，並插入碳棒作為正極；容器外注入氯化銨(NH4Cl)溶液，並置入鋅棒(Zn)當作負極。雖然Leclanché發明的電池為濕式，但所使用的材料已成為乾電池(dry cell)的基礎，之後德國科學家Carl Gassner改成在Zn罐中裝填MnO2粉，再插入碳棒，最後再用柏油密封，製成乾電池，促使電能深入民生。
透過電解反應除了能發現新元素，還可以提煉出高純度的金屬。在19世紀初期，只能用化學法提煉鋁(Al)，使具有白金光澤的純Al被歸類為貴金屬，其價格甚至超過黃金(Au)。但至1886年，法國的Paul Héroult和美國的Charles Hall各自研究了電解製備純Al的方法，被後世稱為Hall-Héroult法。之後，Hall成立美國鋁業公司(Aluminum Company of America，簡稱Alcoa)，大量生產純Al，在五十年內使Al的價格幾乎下降至百分之一，而且直至今日，Alcoa仍為美國舉足輕重的企業之一，這是電化學工業中最成功的案例。另在1898年，德國化學家Fritz Haber發現電解槽的陰極電位經過調整後，可以改變還原產物的化學組成。之後他還研究了硝基苯電解還原成苯胺的過程，由於苯胺可用於製造染料、藥物、樹脂或橡膠硫化促進劑等，代表電化學工業已能應用於化工原料的製造。
在1851年，英國的Charles Watt首先提出電解食鹽水的專利，可用於製造氯氣(Cl2)與氫氧化鈉(NaOH)，但生成的Cl2會被反應槽中的其他成分消耗，所以無法工業化。直到1892年，美國的Hamilton Castner和奧地利的Karl Kellner各自提出使用水銀電解食鹽水的專利，解決了Cl2被消耗的問題，促使歐美各國開始興建鹼氯工廠。進入20世紀後，隨著無機工業與石油工業的興起，Cl2和NaOH的需求量遽增，致使鹼氯工業的規模持續擴大，其電能消耗量至今已超過全球發電量的1%，也成為電化學工業中的成功案例。
截至今日，電化學工程已衍生出許多分支，除了前述的冶金工業和化學工業以外，其應用面還遍及表面工程、防蝕工程、能源科技、電子工業、環境工程和生醫工程等領域(如圖1- 1)，其應用實例如下所述：
1.	冶金工業：提煉金屬，以提供後續的器具製作。目前可藉由水溶液電解或熔融鹽電解而提煉的金屬包括Al、Cu、Zn等。(請見第二章)
2.	化學工業：無機物與有機物之電解合成，例如Cl2或(CH2)4(CN)2 (己二腈)，前者常用在其他化學品的製造，後者則常用於生產人造聚合物。(請見第三章)
3.	表面工程：透過電化學技術，可進行金屬物件的表面處理、成形、切削或鑽孔等作業，以製成高精度的產品。(請見第四章)
4.	防蝕工程：金屬物品的電化學防蝕技術可延長材料的使用壽命，降低危害性，並增進環境保護。(請見第五章)
5.	能源科技：電化學技術可作為能源轉換與能源儲存的媒介，常見的應用案例包括化學電池、液流電池、燃料電池與電化學電容。此外，半導體材料的光電化學反應可將太陽能轉換成電能或化學能，已成為發展再生能源技術中不可或缺的一環。(請見第六章)
6.	電子工業：電路板、積體電路與電子構裝中的蝕刻、鍍膜、填孔或化學機械研磨製程，皆可採用電化學技術來實行，例如在1997年，IBM公司宣布Cu製程技術開發成功，所運用的方法即包含了Cu的電鍍和化學機械研磨。(請見第七章)
7.	環境工程：由於電化學方法具有純化或分離的作用，所以至今已發展出電透析、電凝聚、電浮除等技術，可用於廢水處理、土壤處理或金屬回收。(請見第八章)
8.	生醫工程：由於生物體內的許多現象都與電化學反應相關，因此結合電化學與生醫技術後，可以協助診斷或治療，也可以製造多種具有感測功能的生醫晶片。(請見第九章)
在闡述電化學工程的各種應用之前，必須先理解對應的基礎原理，因此本章將先敘述電化學反應器的組成結構與產量評估，再透過熱力學與動力學來說明電子轉移程序，輔以介紹反應物和產物的輸送現象，最後再以程序設計作為總結，期待能透過通用性的原理來奠定電化學應用之基礎。

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