书评 | 一本电化学科研人员必备参考工具书
本文原载于《中国出版传媒商报》
2021年10月19日04版
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随着科学技术的进步，电化学与物理、能源、材料、环境保护、信息技术和生物医学多个领域的交叉越来越显著。尤其是在化石能源日趋减少、环境污染问题日益严峻的今天，电化学能源以高效、无污染的特点，在化石能源清洁高效利用、可再生能源开发、电动交通、节能减排等人类社会可持续发展的重大领域和5G、人工智能、大数据等高新技术的发展应用中发挥着越来越重要的作用，涉及电化学学科的科研人员队伍也日益庞大。工欲善其事，必先利其器。电化学研究的深入离不开电化学测量方法的发展。传统电化学测量方法只能反映电化学能量转换过程电子得失方面的统计平均结果，但不能给出更多非电子相关的信息，缺乏分子层面信息。比如，锂离子电池在充、放电过程中，SEI膜的形成与演化，电极反应前后的非电化学转化与传递等，需要我们借助其他具有分子指纹信息的谱学技术，从分子水平深入认识电极反应过程，准确揭示其演化规律。孙世刚院士等的新作《电化学测量原理与方法》恰好为我们提供了这方面的知识需求。
今天，以电化学原位谱学为代表的先进测量原理和方法的发展使得我们能够获得电极反应过程分子水平的信息，并由此提出更有利于实现电化学过程高精度调控的概念和理论，可以说电化学研究伴随着测量方法的改进，正在经历一场深刻的变革。孙世刚院士正是这一变革的引领者之一，他是国际知名的物理化学家，也是我国电化学原位红外谱学技术的开拓者。
该书为构成现代电化学测量原理和方法的现象、过程和规律提供了一个严谨而清晰易懂的大纲，特别关注具有根本意义的基础理论问题，这些问题在很多专著和论文中经常以晦涩甚至不正确的方式被提及。通过综合考虑电化学测量技术的理论和应用方面，人们可以更容易地理解它们之间的密切联系，并对这门科学有更全面的了解。该著作在阐述电化学测量的原理同时，结合各类电化学体系，通过对微观尺度的研究获取宏观尺度未来价值的“见微知著”，通过对宏观特性的研究追溯微观尺度结构与过程信息的“自上而下”，从而，把电化学测量技术推向新高度。
以第5章电化学原位红外光谱的撰写内容为例，该章以简明的表格形式对比了用于测试的薄层电解池与衰减全反射（ATR）电解池的差别，并说明了对于不同的情况应当选择何种电解池。同时还从透射波段、ATR使用波段、折射率、透过率和溶解度五个方面对比了共17种红外窗片的适用范围，这极大地提高了研究人员对于测试条件的理解与应对调整能力。为了帮助研究者们解决在使用原位红外测试时对于光谱采集程序常常惯性沿用较多、不明白如何进行体系匹配选择的难题，书中5.2.2节单独就如何根据反应体系灵活选择单次电势改变法、界面差减归一化法、多步电势阶跃法以及不同模式的时间分辨红外光谱等采集程序进行了详细解答。除对每种程序的电势与时间参数都配上了直观的趋势图外，还就谱图数据处理中易于混淆的计算式选择与谱峰正负向关联性变化问题进行了说明。对于从事热门锂离子电池方向的研究人员所关心的电化学原位红外测试在电极材料和SEI膜的组成分析、充放电过程中SEI膜的生成与变化及电解液的分解过程表征方面的具体应用，该书都进行了精彩的实例讲解，特别是著者自身的珍贵研究经验分享。
在以高指数晶面金属纳米催化剂的电化学控制合成、锂电池电极纳米材料的结构和性能调控等主题为代表的电化学能源热点研究中，电化学原位XRD也是不可或缺的研究手段。为了获得能够准确反映制备材料在工作状态下真实情况的高质量原位XRD谱图，研究人员们通常面对的第一个难题就是如何设计合适的原位电池。就该问题，该书第7章对原位电池的结构进行了配图说明，并对外壳开孔、密封、研究电极的选择以及如何避免衍射峰干扰等重要细节进行了详细讲解。对于具有很高研究价值但操作难度较大，一般研究人员无从掌握技术细节的恒电势间歇滴定-电化学阻抗谱-XRD联用测试，书中就其设备联结结构、实验流程步骤甚至具体电压、电流、步长和停留时间等实操参数都进行了阐述，这对于阅读本书的研究者们运用电化学原位XRD方法进一步解析新材料体系的离子扩散行为、界面特性与材料结构变化的内在关系大有裨益。在原位XRD的应用部分，该章对二次电池正极材料分三类进行了衍射峰变化情况、结构演变情况及衍射峰特征等内容的差异化实例进行了详细讲解。特别是对于两相反应的晶胞体积变化精修、循环性能与相转化速度的关联以及局部微结构重组等内容的谱图分析经验，非常值得相关研究者们详读。
该书第二部分，即“电化学原位谱学方法”，系统地介绍了电化学拉曼光谱、电化学原位红外光谱、固体核磁共振谱、电化学原位X射线衍射、同步辐射电化学原位谱学、电化学质谱以及电化学石英晶体微天平等方法的基本原理、仪器结构、实验技术关键点和实验流程以及近期的一些应用进展。其中，第6章所阐述的电化学原位固体核磁共振谱技术对探测核周围的局域环境具有很高的灵敏度，可以获得材料短程局域化学环境和电子结构的定性和定量信息，在电极材料界面演化及动力学特性等关键问题的研究上发挥着重要作用；第7章所阐述的电化学原位X射线衍射是研究电化学过程中电极材料的结构演变和相变的强有力技术，但不适用于无定形相；第8章所阐述的基于同步辐射光源的X射线吸收谱不依赖于材料的长程有序结构，仅对吸收原子周围的局域结构敏感，可用于晶态和非晶态材料、液体甚至是气体。其在材料的中心原子周围配位原子的种类、数目和所处位置等局域几何结构以及电子结构研究方面具有独特优势，可获得电化学反应过程中的电荷转移机制及电极结构演化行为等重要信息。作者在充分论证各种电化学原位谱学技术的优点和特色的同时，不忘指出其应用局限性。这对读者有效合理地应用各种电化学原位谱学技术，更加准确深入地理解电化学反应机理及构效关系非常有帮助。
此外，该书还别出心裁地撰写了第四部分“理论计算方法”，系统介绍了常规的计算方法和基于第一性原理的计算电化学，阐述了计算复杂电催化反应的一些简化模型，给出了丰富的数值计算方法案例和视频演示（可通过扫描第10章附录的二维码获取）。电化学的测量结果能被理论计算所肯定，或者理论计算预测的结果能被实验测量所确认，这样的研究才算完美。该书在这方面做出了非常有意义的探索。可以说，该书在手，电化学研究就变得有的放矢、有迹可循。
孙世刚院士等撰写的《电化学测量原理与方法》不仅可作为从事电化学科研和产业界人士的参考工具书，也可成为电化学及相关领域研究生或初学者的教辅，对培养良好的实验习惯大有裨益。
孙世刚团队《电化学能源材料结构设计和性能调控》出版
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