電化學工程原理

第一章　緒　論
1-1 電化學工程
1-2 電化學發展史
1-3 電化學原理
1-4 總結

第二章　電極與電解質
2-1 電極與溶液之界面
2-2 電極
2-3 電解質溶液
2-4 熔融電解質
2-5 固態電解質
2-6 等效電路
2-7 總結

第三章　電化學熱力學
3-1 界面與電位
3-2 平衡
3-3 電極電位與槽電壓
3-4 熱力學
3-5 液－液接面電位
3-6 電極電位之測量
3-7 總結

第四章　電化學動力學
4-1 Butler-Volmer動力學
4-2 Marcus動力學
4-3 Gerischer動力學
4-4 動力學應用
4-5 總結

第五章　電化學輸送現象
5-1 流體力學
5-2 質量輸送
5-3 電荷輸送
5-4 熱量輸送
5-5 擴散控制系統
5-6 對流控制系統
5-7 多孔電極系統
5-8 磁場輔助電極系統
5-9 電流分布
5-10 總結

第六章　電化學反應工程與程序設計
6-1 電化學反應器
6-2 反應器設計
6-3 程序設計
6-4 總結

自序

　　本書的主題—電化學工程，自1800年的伏打電池以來，歷經眾多科學家與工程師的投入，已經成為應用科學中的重要領域。尤其進入21世紀後，聯合國列舉了全球即將面臨的十大問題，前四項依序為能源、水、食物和環境，四者皆與電化學工程相關，代表電化學技術必將蓬勃發展，也表示本書的讀者可能遍及化工、材料、食品、環工、機械、電子等領域，因此作者期盼各界專家與菁英不吝賜予指教，謹此致謝。

　　本書共計二十萬餘言、千餘數學式，採取化學工程之核心概念編撰，第一章先勾勒電化學工程的歷史沿革與整體輪廓，第二章樹立電化學系統涉及的材料科學主幹，第三章至第六章則沿著化學工程四大主軸依序描繪，這四大主軸分別是熱力學、動力學、輸送現象與程序設計，相信循此路徑應可呈現出電化學工程的完整風貌，而這張學習地圖也是本書有別於其他教本的特點。尤其在電化學發展了200多年後，除了純粹化學的部分，本書也加入許多固態物理與電磁學的觀點，應能使光電催化、能源科技或電磁加工等領域的研發人員從中獲益。

　　也由於電化學工程是電磁學、化學、材料科學、古典力學與量子力學的交集，使吾人在編寫過程中愈發體會莊子秋水篇裡海神與河伯的對話：「天下之水，莫大於海，萬川歸之，不知何時止而不盈。」余憶學生時代所學習的電化學思路，和各類工程或理學界的專項思維，皆如滔滔河水淵遠流長，但這些川流終須注入大海而不止歇，且大海也不因而盈滿，未來的發展亦永無終點，甚或仍有至今未明的支流持續匯入。所以本書雖已具份量，但對如大海般寬闊的學理仍難以完整描述，且愈往內探索愈察其深，因而期望未來能有後續之系列書籍來述說電化學在工程實務與實驗分析的應用。

　　本書的完成必須感謝吾師顏溪成教授與吾妻蔡子萱教授，一位是引領我入門的良師，一位是激勵我深究的益友。同時，我還須感謝電化學領域中的三位泰斗，分別是著有《Electrochemical Methods》的Allen J. Bard教授、著有《Electrochemical Systems》的John Newman教授，以及著有《Industrial Electrochemistry》的Derek Pletcher教授，本書的經緯多來自於上述三本巨著，此外亦參考了國外諸多電化學相關書籍。關於個人踏入電化學工程領域的機緣，包括立志攻讀博士學位的23歲選擇了電化學的研究課題，持續挖掘數學寶藏的20歲巧遇電化學專長的工數老師，以及深受電磁場吸引的18歲卻選擇就讀化工系。除此之外，至少還包括青澀懵懂的16歲初識麥克．法拉第（Michael Faraday）。身為科學史上最優秀的實驗家，法拉第在電磁學的貢獻造就了今日的電腦網路世界，也在化學和半導體領域中開創先河，絕對可以名列於改變人類文明的十大人物之中。尤其在拜讀張文亮教授所著之《電學之父—法拉第的故事》後，更奠定個人心目中最推崇的學者形象。如果這世上真能創造時光機，我願跟隨書籍裝訂工法拉第去聆聽Davy的演講，感受他無法接受正式教育時仍然堅定充實自我的信念；我願追隨待業者法拉第去應徵皇家學院實驗室的雜役，體會他追求人生理想的決心；我也願擔當研究員法拉第的助手，偕同他進行轉動世界的電磁感應實驗；我還願報名講師法拉第的星期五之夜討論會，觀摩他示範鐵屑在磁鐵周圍排列而成的生動場線。但若世上無法創造時光機，我願踏入法拉第的墓園為大師獻上花束，細說他辭世之後世界的變化與電化學的發展。謹以此書的編撰致謝法拉第大師帶給我的啟發。