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。