圖解電化學

自序1──吳永富
十八世紀末，一件蛙腿抖動的意外開啟了電化學的研究，追根究柢的伏打掌握了電化學現象的本質，站在伏打肩膀上的戴維則發現了諸多元素，但是他更重大的發現卻是一位書店裝訂工送來的演講筆記。後來這份筆記的整理者謙和且深遠地衝擊了人類文明，他整合了化學、電學和磁學，為後世的電力與通訊鋪上軌道。愛因斯坦的書房中，長期懸掛著他的畫像，表彰後世的崇敬；英國的西敏寺內，牛頓的墓地旁，原本也為他留下一塊地，但他婉拒此般殊榮，僅向妻子言及，他以前只是鐵匠的兒子和書店的學徒，以後在墓碑上不需任何尊稱，只要刻上麥克．法拉第。
法拉第最受人推崇的表現包括他的洞察能力、實證能力與推廣能力，儘管沒有深厚的學理基底，但仍可自建體系，產生創見。他對科學教育的普及化貢獻卓著，透過定期系列演講，展示科學研究成果，拉近人類與自然的距離。筆者謹遵前人的步伐，期望透過本書的撰寫，將電化學的沿革與發展、原理與應用、工具與方法，採取類似塗鴉的圖解型式，仿造傳統課堂的講桌黑板，描繪電化學的內涵，闡釋電化學的因果。每一單元搭配一張簡圖，視覺化地組織內容，不僅期望讀者能快速理解，也希冀讀者能延伸視野，終而見樹也見林。
本書承襲了分別著重於電化學之原理、分析和應用的國外巨著， 包括Newman 與Thomas-Alyea 撰寫的《Electrochemical Systems》、Bard 與Faulkner撰寫的《Electrochemical Methods》、Pletcher 與Walsh 撰寫的《Industrial Electrochemistry》。在有限的篇幅下，本書整合了上述三本巨著的精華，並且引入近期的研究方法與成果，相信書中內容能涵蓋開天闢地的伏打電池與現已普及的鋰離子電池，闡述之中發展出的材料科學、熱力學、動力學和分析化學。
在大學的講堂中，主要傳授求知方法和學理架構，本書參照前人的思維，從伽凡尼的猜想，到伏打的思辨，再進入戴維的應用，終而邁入法拉第的深化，期盼讀者從中獲益。另因科技演進刺激了今日的我們，必須思考永續發展的議題，在聯合國提出的17 項永續發展目標（SDGs）中，至少有5 項關聯到電化學，故期勉未來投入相關研究的讀者，除了追求真理、提升效能，也應利用電化學技術，促進環境永續。愛因斯坦早已提及：「關心人類和我們的命運，始終是所有科技努力的目標，在你的圖表與方程式中，永遠不要忘記這一點。」謹獻芻言共勉。


自序2──林律吟
綜觀眾多訪間出版的電化學書籍，大致可分為三種類型，包含電化學原理、電化學工業和電化學分析。於書籍當中作者已針對此三種面相提出解說，有效推動了電化學的教學和發展。總結來說，電化學的理論面涉及材料科學、熱力學、動力學和輸送現象。而電化學的應用面則包含化學工業、材料工業、機械工業、電子工業、環境工程和生醫工程等領域。另外，在實際應用電化學技術時，亦需整合程序設計和電腦輔助工程。因此，現代的研發工作無論是在實驗室或產業界進行，皆需使用精密的儀器和對應的分析方法，才能深入探究議題並且有效提升產能。
有鑑於此，本書於第一個核心當中，將會闡述電化學理論。首先將探討電極和電解液的界面，再深入研究界面的電子轉移過程，以及控制此過程的因素和方法。藉由掌握電化學基本原理，才能進入應用面的深入探討。本書於第二個核心當中，將會介紹電化學的分析方法。工欲善其事，必先利其器。唯有充分認識與運用實驗工具，並加以執行分析測試，才能找出解決問題的途徑以擴展技術應用的前景。現代電化學方法已廣泛應用於多個領域，本書於第三個核心中，將逐一介紹電化學技術的應用。相信透過實際案例的介紹，可更容易驗證電化學原理的實用性。然而，礙於篇幅，本書主要目標仍設定於閱後快速掌握電化學的入門概念，並進一步簡化前述的原理、分析與應用，以精要地羅列成本書的第二到第四章。除了上述介紹的內容之外，為了讓讀者能更清楚電化學歷史沿革和未來發展，本書的第一章和第五章亦提供相關說明，希冀讀者閱後能描繪電化學發展的輪廓與藍圖，並由此開創新局。
回想本人初次接觸電化學，是在就讀台大化工系大學三年級進行專題研究時，之後於求學與工作生涯發展中，電化學與本人的關係更為密不可分。身為電化學研究領域的學者，除了平時鑽研與教授電化學相關課程，也逐漸萌生推廣電化學的動機。藉由本次機會撰寫一本整合電化學知識的專書，希冀能分享本人有限的所知所學，提供讀者相關知識與經驗，共同利用電化學解決現今社會面臨的諸多挑戰，例如能源、資源、汙染、氣候和健康問題。善用電化學技術可在諸多議題中發揮關鍵作用，例如藉由能源轉換與儲存、資源再利用、金屬防蝕、環境保護和生醫感測等方式，研發出解決問題的有效方法。總結而言，預先理解基本原理和分析方法至關重要，希冀本書能作為讀者應對挑戰與推陳出新的堅固基石。

自序1──吳永富
十八世紀末，一件蛙腿抖動的意外開啟了電化學的研究，追根究柢的伏打掌握了電化學現象的本質，站在伏打肩膀上的戴維則發現了諸多元素，但是他更重大的發現卻是一位書店裝訂工送來的演講筆記。後來這份筆記的整理者謙和且深遠地衝擊了人類文明，他整合了化學、電學和磁學，為後世的電力與通訊鋪上軌道。愛因斯坦的書房中，長期懸掛著他的畫像，表彰後世的崇敬；英國的西敏寺內，牛頓的墓地旁，原本也為他留下一塊地，但他婉拒此般殊榮，僅向妻子言及，他以前只是鐵匠的兒子和書店的學徒，以後在墓碑上不需任何尊稱，只要刻...

第一章　緒論
1-1 近代物理化學史　
1-2 電化學之起源　
1-3 電化學理論之發展　
1-4 電化學之後續進展　
1-5 電化學之術語　
1-6 氧化與還原　
1-7 電化學池　
1-8 微電池　
1-9 電子導體（I）　
1-10 電子導體（II）　
1-11 離子導體（I）　
1-12 離子導體（II）　
1-13 離子導體（III）　
1-14 電化學程序　
1-15 電化學應用　
1-16 電化學研究　

第二章　電化學原理
2-1 電雙層　
2-2 電化學位能　
2-3 金屬與電解液界面　
2-4 半導體與電解液界面　
2-5 電極電位　
2-6 槽電壓　
2-7 Nernst 方程式　
2-8 離子濃度與電位　
2-9 液體接面電壓　
2-10 電極程序　
2-11 電流與反應　
2-12 反應速率　
2-13 Butler-Volmer 動力學　
2-14 極化　
2-15 Tafel 動力學　
2-16 多步驟反應動力學　
2-17 平行反應動力學　
2-18 金屬溶解或腐蝕　
2-19 Evans 圖　
2-20 濃度極化動力學　
2-21 電結晶　
2-22 表面鈍化　
2-23 產氣反應　
2-24 電催化　
2-25 Marcus 動力學　
2-26 溶液成分的電子能階　
2-27 金屬電極的電子能階　
2-28 半導體電極界面　
2-29 半導體電極之電子轉移　
2-30 半導體照光　
2-31 光電化學反應　
2-32 光電化學池　
2-33 輸送現象　
2-34 動量輸送　
2-35 熱量輸送　
2-36 質量輸送　
2-37 電荷輸送　
2-38 擴散控制系統　
2-39 非穩態擴散　
2-40 電化學可逆　
2-41 對流控制系統　
2-42 多孔電極系統　
2-43 電流分布　
2-44 反應器設計　
2-45 批次操作　
2-46 連續操作　

第三章　電化學分析
3-1 電化學分析原理　
3-2 電化學分析方法　
3-3 電化學分析系統　
3-4 工作電極　
3-5 旋轉盤電極　
3-6 旋轉盤環電極　
3-7 參考電極　
3-8 電化學工作站　
3-9 電位與電流測量　
3-10 穩態極化曲線測量　
3-11 腐蝕電位與腐蝕電流測量　
3-12 暫態極化曲線測量　
3-13 階梯電流分析－（I）反應控制　
3-14 階梯電流分析－（II）質傳控制　
3-15 控制電量分析　
3-16 階梯電位分析—（I）反應控制　
3-17 階梯電位分析—（II）質傳控制　
3-18 線性掃描伏安法　
3-19 循環伏安法—（I）反應控制　
3-20 循環伏安法—（II）質傳控制　
3-21 溶出伏安法　
3-22 脈衝伏安法　
3-23 等效電路　
3-24 電化學阻抗譜—（I）電荷轉移　
3-25 電化學阻抗譜—（II）質量傳送　
3-26 電化學阻抗譜—（III）時間常數　
3-27 電化學阻抗譜—（IV）數據解析　
3-28 電化學雜訊法　
3-29 電化學活性面積測量　
3-30 電化學電容測量　
3-31 擴散係數測量　
3-32 電化學原位測量　
3-33 電化學原位紅外線光譜分析　
3-34 電化學原位拉曼光譜分析　
3-35 電化學原位質量分析　
3-36 電化學原位掃描探針分析　
3-37 掃描電化學顯微鏡　

第四章　電化學應用
4-1 電化學冶金　
4-2 電解提煉鋁　
4-3 電解提煉鋅　
4-4 鹼氯工業　
4-5 電解水產氫　
4-6 光電化學產氫　
4-7 電鍍銅　
4-8 電鑄　
4-9 化學鍍鎳　
4-10 陽極氧化鋁　
4-11 電泳沉積　
4-12 電解拋光　
4-13 電化學加工　
4-14 腐蝕防制　
4-15 陽極保護法　
4-16 陰極保護法　
4-17 鋅錳電池　
4-18 鉛酸電池　
4-19 鋰離子電池　
4-20 氫燃料電池　
4-21 甲醇燃料電池　
4-22 金屬空氣電池　
4-23 液流電池　
4-24 染料敏化太陽電池　
4-25 電化學電容　
4-26 薄膜蝕刻　
4-27 銅製程　
4-28 化學機械研磨　
4-29 電路板通孔電鍍　
4-30 電解回收　
4-31 電浮除與電混凝　
4-32 電化學降解　
4-33 電化學整治土壤　
4-34 電透析　
4-35 離子選擇電極　
4-36 氣體感測器　
4-37 離子感測場效電晶體　

第五章　總結
5-1 電化學反應器設計　
5-2 電化學程序設計　
5-3 電化學發展趨勢　

附錄　
參考資料

第一章　緒論
1-1 近代物理化學史　
1-2 電化學之起源　
1-3 電化學理論之發展　
1-4 電化學之後續進展　
1-5 電化學之術語　
1-6 氧化與還原　
1-7 電化學池　
1-8 微電池　
1-9 電子導體（I）　
1-10 電子導體（II）　
1-11 離子導體（I）　
1-12 離子導體（II）　
1-13 離子導體（III）　
1-14 電化學程序　
1-15 電化學應用　
1-16 電化學研究　

第二章　電化學原理
2-1 電雙層　
2-2 電化學位能　
2-3 金屬與電解液界面　
2-4 半導體與電解液界面　
2-5 電極電位　
2-6 槽電壓　
2-7 Nernst 方程式　
2-8...