主题：【转帖】电化学材料科学的发展前景

材料学和电化学交叉领域的研究越来越受到关注。1987年国际电化学学会召开了一届以“新材料之电化学和电化学之新材料”为主题的国际电化学年会，此后，材料经常成为电化学研究的重点领域之一。在1989、1991、1994、1998和1999的国际电化学年会上，材料学都为年会讨论的主题之一。

　　有关这一领域的讨论，在材料学界也在进行，如国际热处理和表面工程联合会在澳大利亚召开的2000年的大会将电化学作为第一主题会场讨论的主题。这一主题之所以近年来备受关注，其主要原因是电化学反应在很大程度上依赖于材料；而材料的许多作用和性能又与电化学反应有关。“电化学材料科学”这一概念的提出是学科发展的必然，它将促进这一处于材料学和电化学的交叉领域研究的发展。在此，我们力图揭示“电化学材料科学”这一概念的内涵和外延，仅供参考。

　　一、“电化学材料科学”是1999年德国的斯卡尔茨教授在意大利的帕威尔召开的第50届电化学年会上提出的，但他未就这一词予以确切定义。其实，在“电化学材料科学”提出以前,电化学工作者关心材料领域的研究由来已久。200年前伏特电堆的发明以后，不同电池材料对电池电性能的影响逐渐被人们所认识。1896年人造石墨的出现和它在氯碱生产中发挥的作用，给电化学工作者以极其深刻的影响，此后对有关石墨电极材料改性以及其它电极材料如铅阳极、磁铁矿阳极的探索，一直持续到上世纪70年代。活性氧化物电极材料在1965年的问世，并于1968年进入工业应用，材料的作用才越来越受到电化学工作者的关注。材料科学工作者对电化学的关切可以追溯到上世纪初，20年代著名的英国科学家伊文思对金属腐蚀理论进行了大量的分析。他认识到金属的腐蚀可以归结为电化学反应，与学生一起建立了金属腐蚀的电化学历程并提出金属腐蚀极化图。腐蚀对材料的破坏是惊人的，有估计认为全世界因腐蚀损失的钢铁材料约相当于全年钢铁产量的30%。对腐蚀电化学机理的研究和认识，为金属的防护措施的建立打下了良好基础。尽管牺牲阳极的电化学保护技术最早出现在1842年，但直到20世纪30年代在工业上才开始采用，而阳极保护技术则是1954年由艾德利纽提出的，1948年得到工业应用。上世纪50年代以前，金属的高温氧化被看成是典型的化学腐蚀，1952年瓦格纳分析了氧化机理，提出了氧化膜的生长加厚阶段可完全归结为电化学反应，从而为高温腐蚀问题的解决开辟了正确道路。材料科学工作者感兴趣的另一方面是材料的电化学沉积技术。实际上，电镀技术是一种古老的技术，到20世纪30年代才开始有很大的发展。

　　二“电化学材料科学”是电化学和材料科学的交叉科学。要明确“电化学材料科学”这一概念，首先要了解“电化学”和“材料科学”，并在了解“电化学”和“材料科学”概念的基础上，从宏观和微观两个角度来理解。电化学是边缘学科，是多领域的跨学科。对“电化学”，古老的定义认为它是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。以后Bockris下了定义，认为是“研究带电界面上所发生现象的科学”。当代电化学领域已经比Bockris定义的范围又拓宽了许多。实际上还有学者认为电化学领域更宽。如日本的学者小泽昭弥则认为，电化学涵盖了电子、离子和量子的流动现象的所有领域，它横跨了理学和工学两大方面，从而可将光化学、磁学、电子学等收入版图之中。若从宏观和微观两个角度来理解的话，可以认为,宏观电化学是研究电子、离子和量子的流动现象的科学。微观电化学还可以有广义的和狭义之分，广义的微观电化学是“研究物质的带电界面上所发生现象的科学”，而狭义的微观电化学则是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。

　　材料科学也是多领域的跨学科边缘学科。而“材料科学”一词是在20世纪60年代初才提出的。1957年苏联的人造地球卫星先于美国上天，引起美国朝野震惊，认为落后的主要原因是材料的落后，为此成立了10余个材料科学研究中心,“材料科学”一词便流传开来。有人认为，材料科学是研究材料组织结构、加工技术和性能特点之间关系的科学。用肖纪美院士的观点，它是研究“可为人类社会接受的、经济地制造有用器件的物质”的科学。“微观材料学是着眼于材料——单个或集体的——在外界自然环境作用下所表现的各种行为，以及这些行为与材料内部结构之间的关系和改变这些结构的工艺”；而宏观材料学则着眼于考察它与社会环境之间的交互作用。综上所述，可以认为微观电化学材料科学作为电化学和材料科学的交叉科学的研究领域，涵盖了材料的有关带电界面上所发生的现象，以及这些现象与材料内部结构之间的关系和利用此现象来改变内部结构的工艺；而宏观电化学材料科学则着重于考察所有与电子、离子和量子的流动现象和材料有关的问题以及它们与社会环境之间的交互作用。

　　三、“电化学材料科学”，这一交叉学科领域覆盖的领域和研究的具体问题与有关科技工作者的看法有关。根据上述意见，从狭义的角度来理解，微观电化学材料科学的覆盖领域是材料的化学变化并涉及电的有关问题。因此，它的主要研究内容就比较明确了。从广义角度来理解，微观电化学材料科学还将涉及所有与带电界面有关的问题，它不仅涉及电子，还涉及到离子。从这个意义上我们才能理解斯卡尔茨教授所认识的EMS的领地。而宏观电化学材料科学则覆盖了材料的所有与电子、离子和量子的流动有关的现象及它们与社会环境之间的交互作用。

　　四、“电化学材料科学”的区域划分因着眼点不同而异，可以从宏观的和微观的角度来划分，即是宏观电化学材料科学和微观电化学材料科学。也可以根据材料类型或电化学角度来划分，如将电化学材料科学划分为电化学无机材料科学和电化学有机材料科学，或者电化学结构材料科学和电化学功能材料科学等。如果从电化学角度着眼，可以将电化学材料科学划分为理论电化学材料科学和应用电化学材料科学，或者腐蚀电化学材料科学、分子电化学材料科学和工业电化学材料科学等。将电化学材料科学分为3个区域:（1）材料的电化学制备科学，它属于材料制备科学的范畴，指采用电化学技术制备各种材料，主要包括材料的电化学加工和表面工程。（2）材料的电化学，是电化学的一个组成部分，它研究材料的电化学现象，主要有腐蚀与防护和电化学传感器等。（3）电化学的材料学，指的是电化学系统中的材料的组织、加工和性能的科学，它既位于材料学的边缘，又处于电化学的边缘，距离两个学科的中心地带较远，因此，这一区域应当是电化学材料科学关注的重点区域。这一区域是研究电解和电池所涉及的材料，它包括电极材料、电解材料和电池材料。

　　所谓的“电化学的材料”，对电化学来说是电化学反应的组件和辅件；对材料学而言，又属于电化学能量转换功能性材料。而仿佛是配角的电化学材料又恰恰是维系电化学反应的不可或缺的材料。在电化学技术的高度发展的今天，电化学工业的高要求和电化学新系统的出现,必然对电化学材料有更高的期待，以致于对其研究也愈加重视。这也许是近来这一领域的研究备受关注的原因，兴许也是“电化学材料科学”在近期才被提出的原因。“电化学材料科学”的提出，必将促进电化学和材料科学的研究与应用，促进交叉领域间的相互渗透和相互发展。这一学科的发展，必将在今后的科研、生产和基础设施建设中逐渐发挥积极作用。