Electrochemistry Module

Modellieren Sie Elektroanalyse, Elektrolyse und Elektrodialyse

Das Electrochemistry Module, ein Add-On zu COMSOL Multiphysics®, bietet Modellierungs- und Simulationswerkzeuge für die Entwicklung, das Verständnis und die Optimierung von elektrochemischen Systemen. Es kann für grundlegende Studien elektrochemischer Anwendungen wie der Cyclovoltammetrie, der Abwasserreinigung, der Meerwasserentsalzung und der Elektrokatalyse verwendet werden. Das Electrochemistry Module kann mit anderen Modulen der COMSOL®-Produktpalette kombiniert werden, um seine Multiphysik-Fähigkeiten zu erweitern.

Die primären Analyseaufgaben, für die das Electrochemistry Module verwendet wird, sind allgemeine Elektroanalyse, Elektrolyse, Elektrodialyse und bioelektrochemische Analyse. Für Projekte, bei denen es um Akkumulatoren, Brennstoffzellen und Elektrolyseure, Korrosion oder Galvanik geht, sind weitere Add-On-Produkte mit speziellen Funktionen verfügbar.

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Ein Drahtelektrodenmodell, das in einem dunkelblauen bis grauen Farbverlauf dargestellt wird.

Elektroanalytische Methoden

Das Electrochemistry Module ist in der Lage, gängige elektroanalytische Methoden zu beschreiben, darunter (Cyclo-) Voltammetrie, (Chrono-) Amperometrie, Potentiometrie, Coulometrie und Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). Diese Methoden können zur Modellierung und Untersuchung in einer statischen Elektrolytlösung oder in einer Elektrolytlösung mit einer erzwungenen Fluidströmung verwendet werden. Wenn Sie das Electrochemistry Module zusammen mit dem Optimization Module verwenden, können Sie aus den kombinierten experimentellen und Simulationsergebnissen Eigenschaften wie Austauschstromdichten, Ladungstransferkoeffizienten, spezifische aktive Oberflächen, Diffusivitäten und Reaktionsmechanismen bestimmen. Diese können anschließend für eine genaue Modellierung und Designoptimierung in industriellen Anwendungen genutzt werden.

Elektrolyse und Elektrodialyse

Zur Beschreibung der allgemeinen Elektrolyse, wie der Chlor-Alkali-Elektrolyse und der Chlorat-Elektrolyse, enthält das Electrochemistry Module Funktionen zur Modellierung beliebiger Elektrolyte, Membranen und elektrochemischer Reaktionen, die eine beliebige Anzahl von Ionen und neutralen Spezies enthalten können.

Das Modul kann auch zur Modellierung der Elektrodialyse, beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser zu Trinkwasser, und der Elektrodeionisation, beispielsweise zur Herstellung von Reinstwasser, verwendet werden. Ähnliche Elektrodialysemodelle stehen für die Untersuchung und Entwicklung von Prozessen zur pH-Wert-Kontrolle und zur Entfernung von Säuren aus Wein, Säften und anderen Lösungen in der Lebensmittelindustrie zur Verfügung.

Das Electrochemistry Module berücksichtigt den Transport von Ionen und neutralen chemischen Spezies, Fluidströmung und Wärmetransport sowie elektrochemische Reaktionen mit beliebiger Reaktionskinetik.

Bioelektrochemie

Das Electrochemistry Module wird häufig in der Bioelektrochemie eingesetzt, um Transport- und Gleichgewichtsreaktionen zu beschreiben und zu verstehen, die in biochemischen Sensoren wie Glukose-, Sauerstoff- und pH-Sensoren auftreten.

Das Electrochemistry Module kann auch verwendet werden, um Elektrolyse in biochemischen Systemen zu modellieren, zum Beispiel bei der elektrochemischen Behandlung von Tumoren - eine Technik, die bei der Behandlung von Tumoren bei Tieren eingesetzt wird. Darüber hinaus ist das Electrochemistry Module ein beliebtes Werkzeug für die Untersuchung mikrobieller elektrochemischer Systeme, die zur Analyse von Prozessen wie der Abwasserreinigung eingesetzt werden.

Features und Funktionen des Electrochemistry Module

Das Electrochemistry Module enthält verschiedene Funktionen zur Modellierung elektrochemischer Systeme.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Electrode Reaction und einem Chlor-Alkali-Modell im Grafikfenster.

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromdichteverteilung

COMSOL Multiphysics® und das Electrochemistry Module stellen dem Anwender fertige, benutzerfreundliche Interfaces zur Modellierung elektrochemischer Prozesse zur Verfügung. Die Grundfunktionalität wird von den Interfaces Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution abgedeckt. Das Interface Primary Current Distribution verwendet das Ohmsche Gesetz zusammen mit einer Ladungsbilanz, um den Stromfluss sowohl im Elektrolyten als auch in den Elektroden zu modellieren. Es wird davon ausgegangen, dass Verluste im elektrischen Potential aufgrund elektrochemischer Reaktionen vernachlässigbar sind. Die Interfaces Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution beinhalten eine Electrode Reaction Funktion mit integrierten kinetischen Tabellen und Butler-Volmer Ausdrücken. Alle drei Interfaces berücksichtigen das elektrische Potential als Teil der elektrochemischen Reaktionskinetik und das Interface Tertiary Current Distribution zusätzlich den Transport chemischer Spezies.

Das Modul enthält auch ein Chemistry Interface, das es erlaubt, mehrere Spezies und Elektrodenreaktionen sowie allgemeine chemische Reaktionen zu definieren. Darüber hinaus kann das Interface automatisch Mischungs- und thermodynamische Eigenschaften, einschließlich Gleichgewichtspotentiale, berechnen. Die durch diese Funktionen definierten Variablen, wie lokale Stromdichten und Gleichgewichtspotentiale, können mit den Interfaces Electrochemistry, Chemical Species Transport, Heat Transfer oder Fluid Flow gekoppelt werden.

Eine Nahansicht des Fensters Add Study und ein 1D-Plot im Grafikfenster.

Studientypen

Die COMSOL Multiphysics® Software bietet eine große Auswahl an vordefinierten Studientypen, die verwendet werden können, um verschiedene Analysen in einem Modell durchzuführen. Die vordefinierten Studien variieren je nach den physikalischen Interfaces, die der Benutzer in eine Simulation einbezieht. Das Electrochemistry Module enthält verschiedene Studientypen für dynamische Simulationen wie beispielsweise Cyclovoltammetrie-Analysen und Abschaltmessungen. Der Studientyp Cyclic Voltammetry kann zusammen mit dem Interface Electroanalysis verwendet werden, um zeitabhängige Voltammetrieexperimente zu berechnen.

Es ist auch möglich, die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) vollständig physikbasiert zu modellieren. Darüber hinaus gibt es viele spezialisierte Studien für bestimmte – und Kombinationen verschiedener – physikalischer Effekte, die alle Gleichungs- und Lösereinstellungen enthalten, die an die physikalischen Definitionen des Modells angepasst sind.

Eine Nahansicht der Eingaben und Ergebnisse sowie des Grafikfensters in einer Simulations-App.

Simulation-Apps

Der Application Builder, der in COMSOL Multiphysics® enthalten ist, ermöglicht es den Anwendern, Benutzeroberflächen auf der Basis eines beliebigen existierenden Modells zu erstellen. Mit diesem Werkzeug können Apps für bestimmte Zwecke mit genau definierten Ein- und Ausgaben erstellt werden. Apps können für viele verschiedene Zwecke eingesetzt werden, z. B. zur Automatisierung schwieriger und sich wiederholender Aufgaben, zur Erstellung und Aktualisierung von Berichten und zur Bereitstellung benutzerfreundlicher Schnittstellen für Laien. Darüber hinaus können Apps den Zugang zu Modellen innerhalb einer Organisation verbessern und Organisationen dabei helfen, einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen.

Die Anwendungsbibliotheken enthalten auch fertige Apps zur Simulation und Demonstration der Cyclovoltammetrie und zum Verständnis von EIS-, Nyquist- und Bode-Plots.

Eine Nahansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Elektrolyte und einem Tumormodell im Grafikfenster.

Transport chemischer Spezies

In vielen reaktiven Systemen und in unmittelbarer Nähe der Elektroden ist die Elektrolytkonzentration nicht konstant. In diesen Fällen müssen neben der Migration auch Diffusions- und Konvektionseffekte berücksichtigt werden. Für die Beschreibung des Transports chemischer Spezies im Elektrolyten steht eine integriertes Tertiär Current Distribution, Nernst-Planck Interface zur Verfügung. Dieses Interface enthält auch Funktionen zur Beschreibung von Stofftransporteffekten, die aufgrund von Diffusion, Migration und Konvektion auftreten.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Electroanalysis und einem 1D-Plot im Grafikfenster.

Elektroanalyse

Das Electrochemistry Module enthält ein spezielles Electroanalysis Interface, das Gleichungen, Randbedingungen und Ratenausdrücke für die Modellierung des Stofftransports von verdünnten Spezies in Elektrolyten enthält. Das Interface ermöglicht dies durch die Verwendung der Konvektions-Diffusions-Gleichung, die die Konzentrationen der elektroaktiven Spezies löst.

Das Interface ist für Elektrolytlösungen geeignet, die große Mengen eines inerten „Leitelektrolyten“ enthalten. Ohmsche Verluste werden als vernachlässigbar angenommen. Das Physik-Interface enthält auch spezielle Funktionen für die Modellierung von Problemen der Cyclovoltammetrie und verschiedener elektroanalytischer Techniken.

Eine Nahansicht des Einstellungsfensters für den Knoten Protein und ein 2D-Plot im Grafikfenster.

Elektrophoretischer Transport

Ein spezialisiertes Electrophoretic Transport Interface wird verwendet, um den elektrophoretischen Transport einer beliebigen Anzahl von Spezies in einem wässrigen System zu lösen, die Potentialgradienten unterliegen. Das Interface koppelt den Diffusions-Migrations-Konvektions-Transport mehrerer Spezies in wässrigen Systemen, um beispielsweise mehrere schwache Säure-Base-Gleichgewichte, Pufferlösungen, pH-abhängige Dissoziation und effektive Mobilitäten zu modellieren. Darüber hinaus können verschiedene Formen der Elektrophorese wie Zonenelektrophorese, Isotachophorese, isoelektrische Fokussierung und Elektrophorese mit beweglicher Grenzschicht ("moving boundary electrophoresis", MBE) simuliert werden.

Eine Nahansicht der Einstellungen für Reacting Flow, Diluted Species und eines Drahtelektrodenmodells im Grafikfenster.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

Die COMSOL® Software ermöglicht Kopplungen zwischen den Physik Interfaces verschiedener Module. Mit den Fähigkeiten von COMSOL Multiphysics® können die Interfaces des Electrochemistry Module nahtlos mit den Fluid Flow Interfaces gekoppelt werden, um Phänomene wie elektroosmotischen Fluss oder Hydrodynamik zu simulieren. Sie können auch mit den Interfaces für Wärmetransport gekoppelt werden, um Wärmequellen wie Aktivierungsverluste und Joulesche Erwärmung und viele andere elektrochemische Phänomene zu simulieren.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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