电化学模块

使用电化学模块模拟电分析、电解和电渗析

电化学模块

循环伏安法是电化学分析的一种常用技术,在某个范围内对电极电压进行扫描,并记录电流变化。

从实验研究人员到电化学工业工程师

通过精确仿真,电化学模块扩展了电化学系统设计、理解和优化的能力。使得实验研究人员或工业电化学工程师受益颇多。电化学反应机理、质量传递和电流密度分布等模拟功能使用户可以高效地仿真包括电解、电渗析、电化学分析、电化学传感器和生物电化学在内的诸多应用。

一次、二次和三次电流分布接口

电化学模块涵盖了涉及电化学反应的一系列应用。可以通过以下接口实现:一次、二次和三次电流分布、电解分析、自由和多孔介质中的流动、传热、非均相和均相化学反应、以及稀溶液和浓溶液中的材料传递。其应用包括氯碱和氯酸盐电解的研究与设计、制备氢气和氧气的水电解、废水处理、海水淡化、电催化和电解分析中的基本电化学研究,以及葡萄糖、pH 值、氢等气体的传感器。


更多图片:

氯碱元电池中的二次电流分布模型。 氯碱元电池中的二次电流分布模型。
无需假定电中性,通过将描述电势分布的 Poisson 方程与描述离子传递的 Nernst-Planck 方程耦合,就可以模拟扩散双电层中的电荷密度。 无需假定电中性,通过将描述电势分布的 Poisson 方程与描述离子传递的 Nernst-Planck 方程耦合,就可以模拟扩散双电层中的电荷密度。
Nyquist 图(不同的频率和非均相电极动力学反应速率常数)。 Nyquist 图(不同的频率和非均相电极动力学反应速率常数)。

电化学分析接口

除了专门针对循环伏安法的接口,电化学模块中还提供了一些专用功能,用于仿真安培分析法、电位法、电化学阻抗和库仑法研究。结合实验和仿真结果确定交换电流密度、电荷传递系数、活化表面、扩散系数和反应机理等参数。随后,可以在工业应用中将这些参数用于精确模拟和设计优化。

全面支持含电化学反应的行业应用

电化学模块中的接口用于模拟具有一次、二次或三次电流分布假设的系统。一次电流分布接口忽略由于电化学反应产生的电势损失,利用欧姆定律与电荷平衡计算电解质和电极中的电流。二次电流分布接口考虑了基于化学反应的损失,并通过 Tafel 和 Butler-Volmer 方程进行模拟。且支持修改或自定义表达式。这些接口计算电势分布,将其作为电化学反应动力学的一部分。

在许多电极反应表面以及反应面附近,电解质的浓度分布是不均匀的。在这种情况下,除了电迁移之外,还必须考虑扩散和对流的影响。电化学模块提供了三次电流分布接口,利用 Nernst-Planck 方程来描述电解质中化学物质的传递。利用 COMSOL Multiphysics 中的卓越功能,该接口可以无缝地耦合到流体流动或传热等其他接口。

电化学模块

产品特征

  • 分析一次和二次电流密度分布(假设均匀电解质)
  • Tafel 和 Butler-Volmer 方程描述电化学反应动力场
  • 利用 Nernst-Planck 方程仿真三次电流密度分布(假定电中性)
  • 通过 Nernst-Einstein 关系描述随温度变化的离子迁移
  • 分析多孔电极的电化学行为,内置等效电导率修正因子
  • 利用电解质体积分数进行 Bruggeman 电导率修正
  • 电极动力场中双电层电容和电流密度
  • 设置电极-电解质界面处膜电阻产生的电势降
  • 谐波扰动(AC 阻抗)和参考电位(其他电解分析应用)
  • 支持电解质(电解分析)
  • 循环伏安法特定接口
  • 自由和多孔介质中的溶质传递、传热和流体流动
  • 表面催化反应,反应物质在界面间传递
  • AC 阻抗 Nyquist 图和 Bode 图

应用领域

  • 电解分析
  • 电解
  • 电渗析
  • 电化学传感器
  • 生物电化学
  • 葡萄糖传感器
  • 气体传感器
  • 氯碱电解
  • 氢气和氧气生产
  • 海水淡化
  • 超纯净水生产
  • 电解质废物处理
  • 液体食品 pH 值控制
  • 生物医学植入物的电化学反应控制

血糖试纸电化学过程建模

线电极

氯碱薄膜电池中的电流分布

肿瘤的电化学疗法

带电荷传递的扩散双电层

电渗析池中脱盐

循环伏安法

电化学阻抗谱

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