Electrochemistry Module

Elektroanalyse, Elektrolyse und Elektrodialyse mit dem Electrochemistry Module modellieren

Electrochemistry Module

Die Cyclovoltammetrie wird häufig bei elektrochemischen Analysen angewendet. Bei dieser Methode wird das Potenzial an der Arbeitselektrode über einen bestimmten Spannungsbereich variiert und dabei die Stromwerte erfasst.

Von der Forschung bis zur Entwicklung industrieller elektrochemischer Systeme

Das Electrochemistry Module eröffnet dank akkurater Simulationen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung, Analyse sowie Optimierung von elektrochemischen Systemen. Sowohl Forscher als auch Entwicklungsingenieure können von diesem leistungsfähigen Modul profitieren. Fähigkeiten wie Modellierung von elektrochemischen Reaktionsmechanismen und Stofftransport sowie auch von Stromdichteverteilungen ermöglichen effektive Simulationen auf vielen Gebieten. Dazu gehören Elektrolyse, Elektrodialyse, Elektroanalyse, Elektrochemie und Bioelektrochemie.

Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilungs-Interfaces

Das Electrochemistry Module deckt ein großes Spektrum von Anwendungen ab, in welche elektrochemische Reaktionen involviert sind. Das Modul enthält Interfaces für die Simulation der Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilung sowie für die Elektroanalyse. Auch können mit diesem Modul Strömungen in freien und porösen Medien, Wärmetransfer, heterogene und homogene chemische Reaktionen sowie Stofftransport in verdünnten und konzentrierten Lösungen analysiert werden. Mögliche Anwendungen umfassen die Untersuchung der Chloralkali- und Chloratelektrolyse, der Wasserelektrolyse zur Wasserstoff- und Sauerstoffherstellung sowie der Prozesse zur Abwasseraufbereitung und Meerwasserentsalzung. Das Modul kann in der Grundlagenforschung auf den Gebieten der Elektrokatalyse und der Elektroanalyse wertvolle Dienste leisten. Und schließlich kann das Modul auch bei der Entwicklung von Glucose-Sensoren, pH-Sensoren und Sensoren für Wasserstoff und andere Gase eingesetzt werden.

Elektrochemie-Funktionalität in anderen Produkten

Die Analyse elektrochemischer Systeme ist von zentraler Bedeutung für die Elektroabscheidung, Korrosion, die Entwicklung von Akkus, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Aus diesem Grund ist die gesamte Funktionalität des Electrochemistry Module auch in den folgenden Produkten enthalten: Electrodeposition Module, Corrosion Module, Battery Design Module und Fuel Cell & Electrolyzer Module.

Weitere Bilder:

Sekundärstromverteilung in einer Chloralkali-Elementarzelle. Sekundärstromverteilung in einer Chloralkali-Elementarzelle.
Sie können die Ladungsdichte in Diffusdoppelschichten modellieren. Dies geschieht ohne die Ladungsneutralität durch die Kopplung der Poisson-Gleichung für das Potenzial und den Nernst-Planck-Gleichungen für den Ionentransport zu berücksichtigen. Sie können die Ladungsdichte in Diffusdoppelschichten modellieren. Dies geschieht ohne die Ladungsneutralität durch die Kopplung der Poisson-Gleichung für das Potenzial und den Nernst-Planck-Gleichungen für den Ionentransport zu berücksichtigen.
Nyquist-Diagramm für verschiedene Frequenzen und die kinetischen Geschwindigkeitskonstanten der heterogenen Elektrodenreaktion. Nyquist-Diagramm für verschiedene Frequenzen und die kinetischen Geschwindigkeitskonstanten der heterogenen Elektrodenreaktion.

Interfaces für die elektrochemische Analyse

Eine Benutzeroberfläche für die Elektroanalyse ist speziell für die Modellierung elektroanalytischer Probleme vorgesehen, zusammen mit einer speziellen Studie für die zyklische Voltammetrie. Eigenschaften wie Austauschstromdichten, Ladungstransferkoeffizienten, spezifische aktive Oberflächenbereiche, Diffusivitäten und Reaktionsmechanismen können aus kombinierten Experiment- und Simulationsergebnissen bestimmt werden. Diese können anschließend in industriellen Anwendungen für eine genaue Modellierung und Designoptimierung verwendet werden.

Analyse sämtlicher Aspekte von Systemen, die elektrochemische Reaktionen beinhalten

Die Interfaces des Electrochemistry Module ermöglichen die Modellierung von Systemen mit der Annahme einer Primär-, Sekundär- oder Tertiärstromverteilung. Die Primärstromverteilung berechnet mithilfe des ohmschen Gesetzes und eines Ladungsausgleichs den Stromfluss sowohl im Elektrolyt als auch in den Elektroden. Dabei wird angenommen, dass der Abfall des elektrischen Potenzials aufgrund von elektrochemischen Reaktionen vernachlässigt werden kann. Bei der Sekundärstromverteilung werden diese reaktionsbasierten Potenzialabfälle berücksichtigt und mittels Tafel-Gleichung, Butler-Volmer-Gleichung oder benutzerdefinierter Ausdrücke modelliert. Weiterhin wird hierbei auch das elektrische Potenzial bei der elektrochemischen Reaktionskinetik berücksichtigt.

In vielen Reaktionssystemen, insbesondere in der Nähe der Elektroden, ist die Elektrolytkonzentration nicht konstant. In diesem Fall müssen zusätzlich zur Migration auch die Diffusion und Konvektion berücksichtigt werden. Das Electrochemistry Module verfügt über ein Interface für Tertiärstromverteilungen, das mithilfe der Nernst-Planck-Gleichung den Transport von chemischen Stoffen im Elektrolyt beschreibt. Die leistungsfähige Funktionalität von COMSOL Multiphysics ermöglicht eine nahtlose Kopplung dieses Interfaces mit anderen Interfaces, die die Fluidströmung und Wärmetransfer beschreiben.

Produkteigenschaften

  • Analyse primärer und sekundärer Stromverteilung unter der Annahme konstanter Elektrolytbedingungen
  • Analyse des elektrochemischen Verhaltens von porösen Elektroden mit Korrekturfaktoren für die effektiven Leitfähigkeiten
  • Modellierung elektrochemischer Reaktionskinetik durch die Tafel- und Butler-Volmer-Gleichungen
  • Simulation tertiärer Stromverteilung mit Hilfe der Nernst-Planck-Gleichungen unter der Annahme von Elektroneutralität
  • Unterstützung von temperaturabhängiger Migration von Ionen durch die Nernst-Einstein-Beziehung
  • Korrektur der Leitfähigkeit nach Bruggeman unter Verwendung des Elektrolytvolumenanteils
  • Berücksichtigung einer Doppelschichtkapazität in der Elektrodenkinetik zusätzlich zu einer limitierenden Stromdichte
  • Einfaches Hinzufügen eines Spannungsabfalls am Elektrode-Elektrolyt-Interface durch widerstandsbehaftete Schichten
  • Hinzufügen harmonischer Störungen für Impedanzstudien und Referenzpotentiale für andere elektroanalytische Anwendungen
  • Modellieren Sie elektroanalytische Probleme mit Elektrolytlösungen, die eine große Menge eines inerten Trägerelektrolyten enthalten
  • Einfaches Hinzufügen von Bedingungen für den Grundelektrolyten bei Elektroanalyse
  • Spezielle Studie für Cyclovoltammetrie
  • Speziestransport, Wärmetransport und Strömung in freien und porösen Medien
  • Katalytische Reaktionen an Oberflächen, wo Spezies durch die Oberfläche transportiert werden können
  • Nyquist- und Bode-Diagramme für die Impedanzspektroskopie
  • Nernst-Planck-Poisson-Gleichungen
  • Elektrophoretischer Transport

Anwendungsbereiche

  • Elektroanalyse
  • Elektrolyse
  • Elektrodialyse
  • Elektrochemische Sensoren
  • Bioelektrochemie
  • Glukose-Sensoren
  • Gas-Sensoren
  • Chloralkali-Elektrolyse
  • Wasserstoff- und Sauerstoffproduktion
  • Entsalzung von Meerwasser
  • Reinstwasser-Produktion
  • Elektrolyt-Abfallbehandlung
  • pH-Kontrolle bei flüssigen Lebensmitteln
  • Kontrolle elektrochemischer Reaktionen in biomedizinischen Implantaten

Modeling the Electrochemistry of Blood Glucose Test Strips

Diffuse Double Layer with Charge Transfer

Current Distribution in a Chlor-Alkali Membrane Cell

Desalination in an Electrodialysis Cell

Electrochemical Treatment of Tumors

Wire Electrode

Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D

Electrochemical Impedance Spectroscopy

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