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Electrochemistry Module

Simulare elettroanalisi, elettrolisi ed elettrodialisi

L'Electrochemistry Module, un add-on di COMSOL Multiphysics®, fornisce strumenti di modellazione e simulazione per la progettazione, la comprensione e l'ottimizzazione di sistemi elettrochimici. Può essere utilizzato per studi fondamentali di applicazioni elettrochimiche come la voltammetria ciclica, il trattamento delle acque reflue, la desalinizzazione dell'acqua di mare e l'elettrocatalisi. L'Electrochemistry Module può essere combinato con altri moduli della suite di prodotti COMSOL® per espandere ulteriormente le sue capacità multifisiche.

Le principali attività di analisi per cui viene utilizzato l'Electrochemistry Module sono l'elettroanalisi generale, l'elettrolisi, l'elettrodialisi e l'analisi bioelettrochimica. Per i progetti che riguardano progettazione di batterie, celle a combustibile ed elettrolizzatori, corrosione e elettrodeposizione, sono disponibili altri prodotti aggiuntivi con funzionalità specifiche.

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Modello di un elettrodo a filo visualizzato in un gradiente di colore dal blu scuro al grigio.
Grafico 2D di un modello di microdisco che mostra il profilo di concentrazione nella tabella dei colori Dipole.

Metodi elettroanalitici

L'Electrochemistry Module è in grado di descrivere i metodi elettroanalitici più comuni, tra cui la voltammetria (ciclica), l'amperometria (crono), la potenziometria, la coulometria e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS). Questi metodi possono essere utilizzati per la modellazione e l'indagine sia in una soluzione elettrolitica statica sia in una soluzione elettrolitica soggetta a un flusso fluido forzato. Utilizzando l'Electrochemistry Module in combinazione con l'Optimization Module, gli utenti possono determinare le proprietà combinando i risultati sperimentali e quelli di simulazione, come le densità di corrente di scambio, i coefficienti di trasferimento di carica, le aree superficiali attive specifiche, le diffusività e i meccanismi di reazione. Questi dati possono essere successivamente utilizzati in applicazioni industriali per una modellazione accurata e per l'ottimizzazione di progetto.

Elettrolisi ed elettrodialisi

Per descrivere l'elettrolisi generale, come l'elettrolisi dei cloro-alcali e dei clorati, l'Electrochemistry Module offre funzionalità per la modellazione di elettroliti arbitrari, membrane e reazioni elettrochimiche che includono un numero qualsiasi di ioni e specie neutre.

Il modulo può essere utilizzato anche per la modellazione dell'elettrodialisi, come nel caso della desalinizzazione dell'acqua di mare in acqua potabile, e dell'elettrodeionizzazione, come la produzione di acqua ultrapura. Modelli simili di elettrodialisi possono essere utilizzati per studiare e progettare processi per il controllo del pH e per la rimozione degli acidi da vino, succhi e altre soluzioni nell'industria alimentare.

L'Electrochemistry Module tiene conto del trasporto di specie chimiche di ioni e specie neutre, della fluidodinamica e e del trasferimento di calore, nonché delle reazioni elettrochimiche con cinetiche di reazione arbitrarie.

Grafico 1D che mostra il confronto di tre diversi flussi in rosso, blu e verde.
Grafico 1D che mostra vari profili di pH di un modello di tumore.

Bioelettrochimica

L'Electrochemistry Module è ampiamente utilizzato nel campo della bioelettrochimica per descrivere e comprendere le reazioni di trasporto e di equilibrio che si verificano nei sensori biochimici, come i sensori di glucosio, ossigeno e pH.

Il modulo può essere utilizzato anche per modellare l'elettrolisi nei sistemi biochimici, come nel caso del trattamento elettrochimico dei tumori, una tecnica utilizzata per il trattamento dei tumori negli animali. Inoltre, l'Electrochemistry Module è uno strumento apprezzato per la ricerca di sistemi elettrochimici microbici, utilizzati per analizzare processi come il trattamento delle acque reflue e degli effluenti.

Caratteristiche e funzionalità dell'Electrochemistry Module

L'Electrochemistry Module contiene diverse funzioni per la modellazione di sistemi elettrochimici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrode Reaction evidenziato e un modello di cloro-alcali nella finestra Graphics.

Distribuzione della densità di corrente primaria, secondaria e terziaria

COMSOL Multiphysics® e l'Electrochemistry Module forniscono agli utenti interfacce pronte e di facile utilizzo per la modellazione dei processi elettrochimici. Le funzionalità di base sono coperte dalle interfacce Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution e Tertiary Current Distribution. L'interfaccia Primary Current Distribution utilizza la legge di Ohm insieme a un bilancio di carica per modellare il flusso di corrente sia nell'elettrolita che negli elettrodi, assumendo che le perdite di potenziale elettrico dovute alle reazioni elettrochimiche siano trascurabili. L'interfaccia Secondary Current Distribution e l'interfaccia Tertiary Current Distribution includono una funzione Electrode Reaction con espressioni cinetiche di Tafel e Butler-Volmer incorporate. Tutte e tre le interfacce includono il potenziale elettrico come parte della cinetica della reazione elettrochimica e l'interfaccia Tertiary Current Distribution include anche il trasporto di specie chimiche.

Il modulo comprende anche un'interfaccia Chemistry che può aiutare a definire le reazioni di specie multiple e di elettrodi, nonché le reazioni chimiche ordinarie. Inoltre, l'interfaccia può calcolare automaticamente le proprietà della miscela e termodinamiche, compresi i potenziali di equilibrio. Le variabili definite da queste funzioni, come le densità di corrente locali e i potenziali di equilibrio, possono essere accoppiate con un'interfaccia Electrochemistry, Chemical Species Transport, Heat Transfer o Fluid Flow.

Vista in primo piano della finestra Add Study e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Tipologie di studio

Il software COMSOL Multiphysics® offre un'ampia scelta di tipi di studio predefiniti che possono essere utilizzati per eseguire varie analisi in un modello. Gli studi predefiniti variano a seconda delle interfacce fisiche che l'utente decide di includere in una simulazione. L'Electrochemistry Module include tipi di studio per simulazioni dinamiche come la voltammetria ciclica o le analisi di interruzione di corrente. Il tipo di studio Cyclic Voltammetry può essere utilizzato per calcolare esperimenti di voltammetria transitoria insieme all'interfaccia Electroanalysis.

È anche possibile modellare la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) con una modellazione completa basata sulla fisica. Inoltre, sono disponibili molti studi specializzati per determinate fisiche o combinazioni di fisiche, tutti contenenti impostazioni di equazioni e solutori adattati alle definizioni fisiche del modello.

Vista in primo piano degli input e dei risultati e della finestra Graphics di un'app di simulazione.

App di simulazione

L'Application Builder, incluso in COMSOL Multiphysics®, consente agli utenti di creare interfacce utente a partire da qualsiasi modello esistente. Questo strumento consente di creare app per scopi molto specifici, con input e output ben definiti. Le app possono essere utilizzate per molti motivi diversi, come l'automazione di attività difficili e ripetitive, la creazione e l'aggiornamento di report e la fornitura di interfacce di facile utilizzo per i non esperti. Inoltre, le app di simulazione possono aumentare l'accesso ai modelli all'interno di un'organizzazione e aiutarla ad acquisire un vantaggio competitivo.

Nell'Application Library sono disponibili anche app di simulazione già pronte che possono essere utilizzate per dimostrare e simulare l'uso della voltammetria ciclica e per comprendere i diagrammi EIS, Nyquist e Bode.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrolyte evidenziato e un modello di tumore nella finestra Graphics.

Trasporto delle specie chimiche

In molti sistemi reagenti e in prossimità degli elettrodi, la concentrazione dell'elettrolita non è costante. In questi casi, oltre alla migrazione, è necessario considerare gli effetti della diffusione e della convezione. Per descrivere il trasporto di specie chimiche nell'elettrolita è disponibile l'interfaccia Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. Questa interfaccia include anche funzionalità per descrivere gli effetti del trasporto di massa dovuti alla diffusione, alla migrazione e alla convezione.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electroanalysis evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Elettroanalisi

L'Electrochemistry Module contiene l'interfaccia dedicata Electroanalysis che include equazioni, condizioni al contorno e termini di espressione del tasso per modellare il trasporto di massa di specie diluite negli elettroliti. L'interfaccia consente di utilizzare l'equazione di diffusione e convezione che risolve le concentrazioni delle specie elettroattive.

L'interfaccia è applicabile a soluzioni elettrolitiche contenenti una grande quantità di "elettrolita di supporto" inerte. Si presume che la perdita ohmica sia trascurabile. L'interfaccia utente della fisica include funzionalità specifiche per la modellazione di problemi di voltammetria ciclica e di diverse tecniche elettroanalitiche.

Vista in primo piano della finestra Settings per il nodo Protein e un grafico 2D nella finestra Graphics.

Trasporto elettroforetico

L'interfaccia dedicata Electrophoretic Transport viene utilizzata per risolvere il trasporto elettroforetico di un numero arbitrario di specie, soggette a gradienti di potenziale, in un sistema acquoso. L'interfaccia accoppia il trasporto di diffusione-migrazione-convezione di più specie in sistemi acquosi per modellare, ad esempio, più equilibri acido-base deboli, soluzioni tampone, dissociazione dipendente dal pH e mobilità effettiva. Inoltre, gli utenti possono simulare varie forme di elettroforesi, come l'elettroforesi a zone, l'isotacoforesi, la focalizzazione isoelettrica e l'elettroforesi a limite mobile.

Vista in primo piano delle impostazioni Reacting Flow, Diluted Species e un modello di elettrodo a filo nella finestra Graphics.

Analisi multifisiche estese

Il software COMSOL® consente l'accoppiamento tra le interfacce fisiche di moduli diversi. Grazie alle capacità di COMSOL Multiphysics®, le interfacce nell'Electrochemistry Module possono essere accoppiate senza problemi con interfacce di fluidodinamica per simulare fenomeni come il flusso elettroosmotico o l'idrodinamica. Possono anche essere accoppiate con interfacce di trasferimento di calore per simulare fonti di calore come perdite di attivazione, riscaldamento Joule e altri fenonemi elettrochimici.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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