COMSOL Electrochemistry Module 5.5
DESCRIPCIÓN
Electrochemistry Module amplía las posibilidades de COMSOL para diseñar, comprender y optimizar sistemas electroquímicos a través de simulaciones precisas.
CARACTERÍSTICAS
Este producto ofrece grandes beneficios a los investigadores en los laboratorios o a los ingenieros químicos industriales. Funcionalidades como el modelado de distribuciones de densidad de corriente, reacciones electroquímicas y transporte de masa permiten la simulación eficiente para aplicaciones que incluyen electrólisis, sensores electroquímicos, electrodiálisis, electroanálisis y electrobioquímica.
Las interfaces dedicadas en el Electrochemistry Module permiten la definición de voltametría, amperometría, potenciometría, impedancia electroquímica y estudios de coulometría. Las densidades de corriente de intercambio y los sobrepotenciales de activación pueden ser entonces determinados a partir de los resultados combinados de experimentos y simulación.
Las interfaces incluidas en el Electrochemistry Module permiten modelar sistemas asumiendo distribuciones de corriente primaria, secundaria o terciaria, implementadas según las ecuaciones de Nernst-Planck y Butler-Volmer. El módulo Electrochemistry Module cubre un amplio rango de aplicaciones que involucran reacciones electroquímicas. Esto se realiza a través de interfaces para corrientes eléctricas, flujo en medios libres y porosos, transferencia de calor, reacciones químicas de superficie y homogéneas, y transporte de material en medios porosos y diluido. Entre las posibles aplicaciones se incluyen sensores para pH, glucosa o gas, producción de hidrógeno y oxígeno por electrólisis, tratamiento de pérdidas de elctrolito, desalinación de aguas marinas y sistemas bioelectroquímicos.
SECTORES
Algunas de las principales aplicaciones del módulo pueden ser:
- Electroanálisis
- Electrólisis
- Electrodiálisis
- Sensores electroquímicos
- Bioelectroquímica
- Sensores de glucosa
- Sensores de gas
- Electrólisis Cloro-álcali/li>
- Producción de hidrógeno y oxígeno
- Desalinación de aguas marinas
- Producción de aguas ultra puras
- Control de pH de alimentos líquidos
- Control de reacciones electroquímicas en implantes biomédicos
VERSIONES
5.5
NOVEDADES
La versión 5.5 trae una interfaz para el cálculo del potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst y cinética Butler-Volmer dependiente de la concentración dessde las ecuaciones químicas y soporte de la interfaz Química para reacciónes de electrodo.
Cálculo de potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst
En las funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, el potencial de equilibrio de las reacciones del electrodo pueden ser definidas utilizando la nueva opción Nernst Equation, facilitando la configuración de modelos termodinámicamente consistentes. En las interfaces físicas que resuelven concentraciones múltiples, como las interfaces Tertiary Current Distribution y Chemistry, el potencial de equilibrio automáticamente será dependiente de la concentración, basándose en la estequiometría de reacción. Todos los modelos de la librería de aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano han sido actualizados para utilizar la nueva funcionalidad.
Sección de ajustes para la interfaz Equilibrium Potential in the Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. El potencial de equilibrio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y la concentración de especies.
Cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración
En la funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, la densidad de corriente de intercambio de las expresiones de cinéticas Butler-Volmer y Linearized Butler-Volmer ahora pueden ser automáticamente definidas para ser dependientes de la concentración, basándose en la estequiometría de la reacción. La opción está disponible si la opción Nernst equation es utilizada para definir el potencial de equilibrio. En la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck, las opciones Mass action law y Lumped multistep están disponibles para el tipo de densidad de corriente de intercambio. Se han actualizado todos los modelos de la Librería de Aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano, para que usen la nueva funcionalidad.
Sección de ajustes para la cinética del electrodo en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. La densidad de corriente de intercambio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y concentraciones de especies.
Soporte de las interfaz de química para reacciones del electrodo
La interfaz Chemistry, añadida al módulo Corrosion Module en la versión 5.5, ahora dispone de nodos Electrode Reactions y Electrode Reaction Group. La interaz Chemistry permite definir especies múltiples y reacciones de electrodo, así como reacciones químicas ordinarias. También, las propiedades de mezcla y termodinámica, como potenciales de equilibrio, pueden ser calculados automáticamente por la interfaz Chemistry. Las variables definidas por estas funcionalidades, como las densidades de corriente local y potenciales de equilibrio, pueden estar acopladas a cualquier otra interfaz física aplicable.
Dos interfacese Chemistry son usadas en este modelo para definier los potenciales de equilibrio y las cinéticas de reacciones en un electrolizador de agua de óxido sólido.
5.3
NOVEDADES
La versión 5.3 de este módulo trae una nueva interfaz de Flujo electroforético, nuevas funcionalidades en la interfaz de Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck y una nueva funcionalidad de Terminal de circuito para conectar modelos de batería con simulaciones de circuitos.
Nueva interfaz de transporte electroforético
La nueva interfaz de Transporte electroforético puede utilizarse para investigar el transporte de ácidos débiles, bases, y anfólitos en solventes acuosos. La interfaz física típicamente se utiliza para modelar varios modos electroforéticos, como electroforesis zonal, isotacoforesis, enfoque isoeléctrico y electroforesis de contorno móvil, pero es aplicable a cualquier sistema acuoso que involucre múltiples equilibrios ácido-base.
Nuevo tutorial: Zone Electrophoresis
Este tutorial sirve como una introducción para la interfaz de Transporte electroforético. Se configura un problema de electroforesis zonal para la separación de una muestra que contiene anilina y piridina.
Condición de contorno interna de membrana de intercambio de iones en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
El nuevo nodo de Membrana de intercambio de iones especifica una condición de contorno donde el flujo de iones es continuo, pero donde el potencial del electrolito es discontinuo y se describe por un equilibrio de Donnan. Esta condición se utiliza típicamente en celdas electroquímicas que contienen tanto electrolitos libres como membranas de intercambio de iones, por ejemplo, en problemas de diálisis. Un cambio de potencial de Donnan sobre la interfaz se calcula automáticamente a partir de las concentraciones del ion portador de carga en cada lado de la interfaz.
Potencial del electrolito en una batería de flujo redox de vanadio mostrando los cambios de potencial en las interfaces entre el electrolito libre y la membrana de intercambio de iones.
Nuevos modelos de conservación de carga en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
Esta interfaz ahora soporta cuatro modelos de conservación de carga diferentes: electroneutralidad, basada en agua con electroneutralidad, soportando electrolito y Poisson.
Condición de terminal de circuito
Se puede utilizar la funcionalidad de Terminal de circuito en un contorno para especificar un acoplamiento al nodo I vs. U externo en la interfaz de Circuito eléctrico del módulo AC/DC. La condición de Terminal de circuito ahora está disponible como condición de contorno en el nodo Superficie de electrodo y como modo de operación en la interfaz de Baterías de partícula simple. Esto permite incluir modelos de baterías de alta fidelidad en simulaciones de circuitos.
Tutorial actualizado: Separación isoeléctrica
Este ejemplo aplica las interfaces de Transporte electroforético y Flujo laminar para modelar la separación isoeléctrica en un dispositivo de electroforesis de flujo libre. Una corriente conteniendo cuatro proteínas diferentes se separa en corrientes concentradas por medio del transporte migrativo en un campo eléctrico.
Distribución de concentración de las proteínas en la salida del dispositivo.
5.2a
NOVEDADES
Electrochemistry Module 5.2a incluye nuevas interfaces incluyendo la de las Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson Equations, útil para investigar las distribuciones de cargas y iones dentro de la doble capa electroquímica donde no se puede considerar neutralidad de carga, y un nuevo nodo multifísico que permite acoplar fácilmente fuentes de calor electroquímico a una interfaz de transferencia de calor.
Nueva interfaz de ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson
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La nueva interfaz de Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson puede utilizarse para investigar las distribuciones de cargas y iones dentro de una doble capa electroquímica, donde la neutralidad de carga no puede ser considerada. La interfaz de Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson añade las interfaces de Electrostática y Transporte de especies diluidas a un modelo, junto con acoplamientos predefinidos para la densidad de carga espacial y el potencial. |
 La concentración de un catión (azul) y un anión (verde) cerca de la superficie del electrodo en x = 0. La suma de las cargas se desvía de 0 cerca de la superficie, formando una doble capa difusa cargada. |
Nueva condición de contorno Corto externo
La nueva condición de contorno de Corto externo permite cortocircuitar Superficies de electrodo, Electrodos porosos y Electrodos a través de una resistencia concentrada externa. La nueva condición de contorno es adecuada para estudiar cortocircuitos de baterías, por ejemplo, o para interconectar grandes objetos activos electroquímicamente en problemas de protección de la corrosión.
Nuevo nodo multifísico de fuente de calor electroquímico
La nueva interfaz multifísica de Fuente de calor electroquímica ofrece una manera opcional de acoplar las fuentes de calor electroquímicas con una interfaz de transferencia de calor.
Nuevo tipo de cinética de equilibrio termodinámico
Las reacciones de electrodo ahora soportan un nuevo tipo de cinético de electrodo de Equilibrio termodinámico (conocido como Condición primaria en la interfaz de Distribución de corriente secundaria), que considera un sobrepotencial cero (pérdidas de tensión despreciables).
5.2
Nueva app: Espectroscopía de impedancia electroquímica<
La espectroscopía de impedancia electroquímica (Electrochemical impedance spectroscopy o EIS) es una técnica habitual en electroanálisis. Se utiliza para estudiar la respuesta armónica de un sistema electroquímico. Se aplica una variación sinusoidal pequeña al potencial del electrodo de trabajo y se analiza la corriente resultante en el dominio de la frecuencia.
Las componentes real e imaginaria de la impedancia dan información sobre las propiedades cinética y de transporte de masa de la célula, así como las propiedades de superficie a través de la capacidad de doble capa.
El objetivo de la app de análisis Electrochemical Impedance Spectroscopy es comprender los gráficos de Nyquist y Bode de la EIS. La app permite variar la concentración de volumen, el coeficiente de difusión, la densidad de carga de intercambio, la capacidad de doble capa y las frecuencias mínima y máxima.
Interfaz gráfica de usuario de la app de demostración de Electrochemical Impedance Spectroscopy mostrando el gráfico de Nyquist.
Nueva app: Voltametría cíclica
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La voltametría cíclica es una técnica analítica habitual para investigar sistemas electroquímicos. En este método la diferencia de potencial entre un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia es barrida linealmente en el tiempo desde un potencial inicial a un potencial vértice, y luego hacia atrás. La forma de onda corriente-tensión, llamada voltamograma, proporciona información sobre las propiedades de reactividad y transporte de masa de un electrolito. El objetivo de esta app es demostrar y simular el uso de la voltametría cíclica. Se puede variar la concentración de volumen de ambas especies, las propiedades de transporte, los parámetros cinéticos y los ajustes del voltámetro cíclico. |
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Nuevo tutorial: Doble capa difusa
En la interfaz electrodo-electrolito, existe una fina capa de carga espacial, llamada la doble capa difusa. En esta región, no se sostiene la electroneutralidad. La doble capa puede ser de interés cuando se modelan dispositivos como supercapacitores electroquímicos y nanoelectrodos.
El tutorial Diffuse Double Layer muestra como acoplar las ecuaciones Nernst-Planck a la ecuación de Poisson para describir una doble capa difusa de acuerdo con el modelo Gouy-Chapman-Stern.
La app de simulación amplía el sencillo ejemplo incluyendo dos electrodos. También considera reacciones faradaicas del electrodo (transferencia de carga). Se resuelve una ecuación adicional para asegurar la conversación global de la carga.
5.1
NOVEDADES
Uso mejorado de las reacciones químicas en medios porosos
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El término de fuente de Reacciones en las interfaces de transporte de especies diluidas en medios porosos ahora proporciona las siguientes opciones para tener en cuenta la base de volumen de reacción para medios porosos saturados e insaturados:
El uso de datos de la literatura para las expresiones cinéticas es bastante más simple y menos susceptible a errores, ya que se pueden tabular para diferentes bases de volumen. |
 Ahora se puede seleccionar la relación de reacción apropiada como base para la expresión de la tasa de reacción. En este caso, se ha seleccionado la reacción por volumen total de poros. |
Convergencia y estabilidad mejoradas a través del paso de inicialización de la distribución de corriente y nuevos estudios en las interfaces electroquímicas
| Muchos modelos electroquímicos requieren valores iniciales derivados apropiados para alcanzar la convergencia o incluso conseguir un resolvedor independiente del tiempo para funcionar. Los nuevos estudios estacionario con inicialización y dependiente del tiempo con inicialización ahora están disponibles para todas las interfaces electroquímicas, con el uso de un paso de estudio de inicialización de la distribución de corriente. Estos nuevos estudios facilitan la resolución de modelos electroquímicos con cinética no lineal. |  Paso de estudio de inicialización de distribución de corriente mejorado. |
Área de sección cruzada
Ahora se dispone de una nueva propiedad, área de sección cruzada, disponible en los modelos 1D para la interfaz electroquímica. Con esta funcionalidad, el área de la celda puede ser especificada y la corriente total de la celda calculada. Además, las funcionalidades del contorno corriente del electrolito y corriente del electrodo ahora están disponibles en 1D.
Fuentes de corriente lineal y puntual para modelado eficiente del electrodo
| Para problemas grandes con geometrías complejas, a menudo no es posible resolver geométricamente todas las partes de la geometría. Si se utiliza un electrodo pequeño para proporcionar una fuente de corriente, éste puede ser suficiente para "inyectar" la fuente de corriente en un punto de la geometría, en lugar de crear el contorno del electrodo y proporcionar la corriente del electrodo como una condición de contorno apropiada. Con las funcionalidades de fuentes de corriente lineal y puntual en las interfaces de distribución de corriente primaria y secundaria, es posible aplicar una fuente de corriente a un punto en geometrías 2D, 2D con simetría axial y 3D. |  La figura ilustra una fuente de corriente puntual y lineal aplicada en una geometría 3D simple. |
Dominios de elemento infinito en interfaces de la ley de Darcy
Las interfaces de la ley de Darcy ahora soportan dominios de elemento infinito y cálculos más avanzados de flujos de contorno.
5.0
Funcionalidad de electrodo contador para interfaz de electroanálisis
La nueva funcionalidad se incluye en todos los productos electrquímicos y tiene en cuenta el balance de carga global de la celda. Como ilustración de este caso, véase el modelo actualizado del tutorial del Sensor de Glucosa. Esta funcionalidad está también disponible en los módulo Batteries & Fuel Cells, Electrodeposition y Corrosion Module.
