Electrochemistry Module
Elektroanalyse, Elektrolyse und Elektrodialyse mit dem Electrochemistry Module modellieren
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.
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.
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
Stephen Mackintosh Lifescan Scotland UK
Lifescan Scotland is a medical device company that designs and manufactures blood glucose monitoring kits for the global diabetes market. These involve the self-monitoring of blood glucose levels through specialized monitoring systems and test strips that comprise of a plastic substrate, two carbon-based electrodes, a thin dry reagent layer, and ...
Desalination in an Electrodialysis Cell
Electrodialysis is a separation process for electrolytes based on the use of electric fields and ion selective membranes. Some common applications of the electrodialysis process are: - Desalination of process streams, effluents, and drinking water - pH regulation in order to remove acids from, for example, fruit juices and wines - Electrowinning ...
Electrochemical Treatment of Tumors
This model incorporates the transport and electrolytic reaction in the treatment of tumor tissue. Oxygen evolution at the anode produces protons, which lowers the pH, while chlorine production also leads to lowered pH through the hydrolysis of chlorine. One effect of a low pH is the permanent destruction of haemoglobin in the tissue, resulting ...
Wire Electrode
The electrochemical cell shown in this model can be regarded as a unit cell of a larger wire-mesh electrode that is common in many industrial processes. One of the most important aspects in the design of electrochemical cells is the current density distributions in the electrolyte and electrodes. Non-uniform current density distributions can be ...
Diffuse Double Layer with Charge Transfer
In the diffuse double layer and within the first few nanometers of an electrode surface, the assumption of electroneutrality is not valid due to charge separation. Typically, the diffuse double layer may be of interest when modeling very thin layers of electrolyte including those in electrochemical capacitors and microelectrodes. This example ...
Current Distribution in a Chlor-Alkali Membrane Cell
The chlor-alkali membrane process is one of the largest in industrial electrolysis with the production of roughly 40 million metric tons of both chlorine and caustic soda per year. Chlorine is used predominantly for the production of vinyl chloride monomer, which in turn is used for the production of poly vinyl chloride (PVC). Current density in ...
Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D
The purpose of the app is to demonstrate and simulate the use of cyclic voltammetry. You can vary the bulk concentration of both species, transport properties, kinetic parameters, as well as the cycling voltage window and scan rate. Cyclic voltammetry is a common analytical technique for investigating electrochemical systems. In this method, the ...
Electrochemical Impedance Spectroscopy
The purpose of this app is to understand EIS, Nyquist, and Bode plots. The app lets you vary the bulk concentration, diffusion coefficient, exchange current density, double layer capacitance, and the maximum and minimum frequency. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a common technique in electroanalysis used to study the harmonic ...
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