Menu

Электрохимия

Модели электроанализа, электролиза и электродиализа

Модуль «Электрохимия», расширяющий возможности среды COMSOL Multiphysics®, содержит инструменты моделирования, с помощью которых можно проектировать, анализировать и оптимизировать электрохимические системы. Модуль можно использовать для фундаментальных исследований в области электрохимии, в том числе для моделирования циклической вольтамперометрии, очистки сточных вод, обессоливания морской воды и электрокатализа. Модуль «Электрохимия» можно комбинировать с другими модулями COMSOL® для дополнительного расширения функциональных возможностей мультифизического моделирования.

К основным задачам, которые можно решать с помощью модуля «Электрохимия», относятся задачи общего электроанализа, электролиза, электродиализа и биоэлектрохимического анализа. Для реализации проектов, связанных с моделированием аккумуляторов, топливных элементов и электролизёров, анализом коррозии и электроосаждения, можно воспользоваться другими модулями расширения со специализированным функционалом.

Связаться с COMSOL
Модель проволочного электрода показана с использованием цветового градиента от темно-синего к серому.
Распределение концентрации в модели микродиска показано с использованием цветовой палитры Dipole.

Методы электрохимического анализа

Интерфейсы модуля «Электрохимия» позволяют моделировать распространённые методы электрохимического анализа, в том числе (циклическую) вольтамперометрию, (хроно) амперометрию, потенциометрию, кулонометрию и спектроскопию электрохимического импеданса. Эти методы применимы как к неподвижным растворам электролитов, так и к вынужденным потокам растворов электролитов. При совместном использовании модулей «Электрохимия» и «Оптимизация» на основе комбинации результатов экспериментов и моделирования можно определить такие параметры электрохимической системы, как плотность тока обмена, коэффициенты переноса заряда, удельную площадь активной поверхности, плотность диффузионных потоков и механизмы реакции. Эти данные затем можно использовать для точного моделирования и оптимизации конструкции промышленных систем и устройств.

Электролиз и электродиализ

Для описания процессов электролиза, например, в хлорщелочных или хлоратных электролизёрах, в состав модуля «Электрохимия» включены универсальные инструменты моделирования электролитов, мембран и электрохимических реакций, в которых может участвовать любое количество ионов и нейтральных веществ.

Также инструменты модуля можно использовать для моделирования методов электродиализа и электродеионизации, которые применяются, например, при обессоливании морской воды и при ультратонкой очистке воды. Аналогичные модели электродиализа применяются также для анализа и проектирования систем контроля кислотности вин, соков и других продуктов пищевой промышленности.

Интерфейсы модуля «Электрохимия» позволяют учесть перенос массы ионов и нейтральных веществ, рассчитать поле течения, проанализировать теплопередачу, а также смоделировать электрохимические реакции с помощью различных моделей кинетики реакций.

График сравнения трёх различных потоков, показанных красным, синим и зелёным цветами.
График нескольких профилей pH в модели опухоли.

Биоэлектрохимия

Инструменты модуля «Электрохимия» широко применяются в области биоэлектрохимии для описания и анализа процессов переноса и равновесных реакций, протекающих в биохимических датчиках, например датчиках уровня глюкозы, кислородных и pH датчиках.

Кроме того, с помощью модуля можно моделировать электролиз в биохимических системах, например электрохимические методы терапии опухолей, применяемые в ветеринарии. Также модуль нашел широкое применение в области исследований микробных электрохимических систем, с помощью которых анализируют процессы очистки сточных вод.

Функциональные возможности модуля «Электрохимия»

Модуль «Электрохимия» содержит различные специальные инструменты для моделирования электрохимических систем.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Electrode Reaction и модели в графическом окне.

Распределение тока с учётом различных факторов

COMSOL Multiphysics® и модуль «Электрохимия» предлагают набор готовых, удобных в использовании интерфейсов для моделирования электрохимических процессов. Основной функционал представлен в интерфейсах Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution и Tertiary Current Distribution. В интерфейсе Primary Current Distribution для моделирования переноса заряда в электролите и электродах используются закон Ома и закон сохранения заряда при условии, что падение электрического потенциала, обусловленное протеканием электрохимических реакций, пренебрежимо мало. В интерфейсах Secondary Current Distribution и Tertiary Current Distribution реализовано условие Electrode Reaction со встроенными моделями уравнениями кинетики Тафеля и Батлера-Волмера. Все три интерфейса позволяют учесть распределение электрического потенциала при расчёте кинетики электрохимических реакций, а интерфейс Tertiary Current Distribution помимо прочего описывает перенос массы веществ.

Также в состав модуля включен интерфейс Chemistry, который позволяет включить в модель множество химических компонентов и описать как электродные, так и обычные химические реакции. Интерфейс автоматически рассчитывает термодинамические свойства чистых веществ и смесей, в том числе и равновесные потенциалы. Переменные, рассчитанные в этом интерфейсе, например локальные плотности тока и равновесные потенциалы, могут быть использованы при настройке интерфейсов Electrochemistry, Chemical Species Transport, Heat Transfer или Fluid Flow.

Увеличенное изображение окна Add Study и одномерного графика в графическом окне.

Типы исследований

Для проведения различных видов анализа в COMSOL Multiphysics® представлен широкий выбор предварительно сконфигурированных типов исследований. Список доступных вариантов определяется тем, какие физические интерфейсы пользователь добавил в расчётную модель. Модуль «Электрохимия» предлагает различные комбинации решателей для выполнения динамического анализа, например циклической вольтамперометрии или метода прерывания тока. Тип исследования Cyclic Voltammetry и интерфейс Electroanalysis позволяют моделировать эксперименты по вольтамперометрии.

Кроме того, можно моделировать спектроскопию электрохимического импеданса на основе полноценной физической модели. Реализовано множество специализированных типов исследований для отдельных физических интерфейсов или их комбинаций со специальными адаптированными к физической модели настройками уравнений и солверов.

Увеличенное изображение окна приложения с входными и выходными параметрами.

Приложения для моделирования

Среда разработки приложений, входящая в состав COMSOL Multiphysics®, позволяет создавать пользовательский интерфейс для любой расчётной модели и разрабатывать узкоспециальные приложения со строго определёнными входными и выходными данными. Приложения можно использовать в разных целях, например, для автоматизации сложных и повторяющихся задач, создания и обновления отчётов или создания удобных интерфейсов для неспециалистов. Кроме того, приложения могут расширить доступ к моделям внутри организации и помочь организациям получить конкурентное преимущество.

В библиотеку приложений включены готовые примеры моделирования циклической вольтамперометрии, а также анализа спектроскопии электрохимического импеданса на основе диаграмм Найквиста и Боде.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Electrolyte и модели опухоли в графическом окне.

Массоперенос

Во многих химически активных системах, а также в области вблизи электродов концентрация электролита не является постоянной. В таких случаях, помимо миграции необходимо учитывать процессы диффузии и конвекции. Для описания переноса массы химических веществ в электролите предназначен интерфейс Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. Этот интерфейс позволяет учесть массоперенос за счёт диффузии, миграции и конвекции.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Electroanalysis и одномерный график в графическом окне.

Методы электрохимического анализа

В состав модуля «Электрохимия» входит специальный интерфейс Electroanalysis, в котором реализованы уравнения, граничные условия и кинетические соотношения для моделирования массопереноса в слабых растворах электролитов. Интерфейс позволяет решать уравнение конвективной диффузии для концентрации электроактивных компонентов.

Интерфейс можно использовать для описания растворов электролитов, содержащих большое количество инертного «фонового электролита». В рамках этого подхода считается, что омические потери пренебрежимо малы. Физический интерфейс содержит специальные функции для моделирования циклической вольтамперометрии и других методов электрохимического анализа.

Увеличенное изображение окна настройки узла Protein и двумерного графика в графическом окне.

Электрофорез

Специальный интерфейс Electrophoretic Transport предназначен для решения уравнений электрофоретического переноса массы произвольного числа компонентов в водном растворе под действием градиента потенциала. Интерфейс описывает диффузию, миграцию и конвекцию в многокомпонентных водных системах, что позволяет моделировать, например, слабое равновесие в растворах кислот, буферные растворы, pH-зависимую диссоциацию и эффективную мобильность ионов. Кроме того, пользователи могут моделировать различные формы электрофореза, в том числе зональный электрофорез, изотахофорез, изоэлектрическое фокусирование и электрофорез подвижной границы.

Увеличенное изображение окна настройки узла Reacting Flow, Diluted Species и модели проволочного электрода в графическом окне.

Расширенные возможности мультифизического анализа

COMSOL® обеспечивает возможность мультифизического сопряжения физических интерфейсов, представленных в разных модулях расширения. Благодаря этому интерфейсы модуля «Электрохимия» можно легко комбинировать с гидродинамическими интерфейсами для моделирования таких процессов, как электроосмос. Возможна также комбинация с интерфейсами теплопередачи для учёта источников теплоты, обусловленных активационными потерями, джоулевым нагревом и другими электрохимическими явлениями.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Связаться с COMSOL