电化学工程作为化学工程的一个分支,专注于运用电化学现象的技术应用,包括化学合成、金属的提炼与精炼、流动电池及燃料电池等。根据IUPAC的定义,电化学工程这一术语特指在工业或能量储存应用中,需大量电能消耗的过程,并不同于应用电化学,其包含小型电池、安培计传感器及微流控装置等。
在美国,大型电化学操作的电力消耗超过6%。
这一领域结合了对电极/电解质界面异质性电荷转移的研究,与实用材料及过程的发展。同时,也包括电极材料及氧化还原物质的动力学分析。为取得技术的发展,电化学反应器的研究显得尤为重要,这包括其潜力及电流分布、大规模输送条件及流体力学等要素,以及对整体性能进行量化评估,例如反应产率、转化效率及能量效率等。
电化学工程的形成过程是逐步的,它与化学工程的发展相伴而生,特别是在19世纪中期电力来源出现以后。 1833年,迈克尔·法拉第首次描述了电解法则,将电荷量与转化质量之间的关系明确化。随着1886年查尔斯·马丁·哈尔发明了廉价的电解过程来从矿石中提取铝,这标志着大型电化学工业的实现。
随后,汉密尔顿·卡斯特纳改善了铝制造过程,并发明了在大型水银电池中用碱液电解法生产氯气和氢氧化钠,这有效地创立了氯堿工业。
电化学工程的应用十分广泛,包括工业水电解、电解合成、电镀、燃料电池、流动电池及工业废水的去污等。其中,氯堿过程是一个基于电解的典型工艺,主要用于氢氧化钠和氯气的生产。还有很多其他无机化学品也可通过电解来生产。
目前,电化学工程的主要任务是开发高效、安全且可持续的技术,以生产化学品、金属回收、修复和去污技术,以及设计燃料电池、流动电池和工业电化学反应器等。
电化学工程的未来会如何影响我们的生活方式及产业发展?