COMSOL 電化學模塊

電化學模塊

模擬電分析、電解和電滲析

“電化學模塊”是 COMSOL Multiphysics? 的一個附加模塊，為用戶提供了一套先進的建模仿真工具，用于設計、理解和優(yōu)化電化學系統(tǒng)。該模塊廣泛應用于電化學應用的基礎研究，包括循環(huán)伏安法、廢水處理、海水淡化和電催化等領域。此外，通過與 COMSOL? 產品庫中的其他模塊相結合，可對多物理場功能得到進一步的擴展。

“電化學模塊”的主要應用領域涵蓋一般電分析、電解、電滲析和生物電化學分析。對于涉及電池設計、燃料電池和電解槽、腐蝕和電鍍的項目，我們還提供其他具有專門功能的附加產品。這些產品旨在滿足特定項目的需求，提供更專業(yè)的解決方案。

電分析方法

“電化學模塊”能夠描述常見的電分析方法，包括（循環(huán)）伏安法、（計時）安培法、電位法、庫侖法和電化學阻抗譜（EIS）。這些方法可用于對靜態(tài)電解質溶液或受強制流體流動影響的電解質溶液進行建模和研究。通過將“電化學模塊”與優(yōu)化模塊一起使用，用戶可以結合實驗和仿真結果來確定交換電流密度、電荷轉移系數(shù)、比活性表面積、擴散系數(shù)和反應機制等屬性。這些結果可進一步應用于工業(yè)領域，以實現(xiàn)精確建模和設計優(yōu)化的目標。

電解和電滲析

為了描述一般的電解過程，例如氯堿和氯酸鹽電解，“電化學模塊”提供了模擬任意電解質、膜和電化學反應（包含任意數(shù)量的離子和中性物質）的功能。

除此之外，該模塊還可用于電滲析建模，例如將海水轉化為飲用水的淡化過程，以及電去離子，例如超純水生產。類似的電滲析模型也可用于研究和設計 pH 控制過程，以及從葡萄酒、果汁和食品工業(yè)的其他溶液中去除酸的過程。

“電化學模塊”綜合考慮了離子和中性物質的化學物質傳遞、流體流動和傳熱，同時還考慮了具有任意反應動力學的電化學反應。

生物電化學

“電化學模塊”廣泛用于生物電化學領域，用于描述和理解生化傳感器（例如葡萄糖、氧氣和 pH 傳感器）中發(fā)生的傳遞和平衡反應。

此外，該模塊還可用于建立生化系統(tǒng)中的電解模型。一個令人興奮的應用案例是電化學治療腫瘤。這項技術在動物腫瘤治療中得到了廣泛應用，并通過我們的軟件實現(xiàn)了更精確的治療方案。除此之外，“電化學模塊”還是研究微生物電化學系統(tǒng)的常用工具，用于分析廢水和污水處理等過程。

電化學模塊的特征和功能

“電化學模塊”為您提供了模擬電化學系統(tǒng)的各種特征。

一次、二次和三次電流密度分布

COMSOL Multiphysics? 及其附加的“電化學模塊”為用戶提供了現(xiàn)成且用戶友好的接口，用于模擬電化學過程。一次電流分布、二次電流分布 和三次電流分布 接口涵蓋了基本功能。一次電流分布 接口使用歐姆定律和電荷平衡來模擬電解質和電極中的電流流動，同時假設由電化學反應導致的電勢損失可以忽略不計。二次電流分布 和三次電流分布 接口包含一個帶有內置 Tafel 和 Butler-Volmer 動力學表達式的電極反應 特征。這三個接口都包含電勢作為電化學反應動力學的一部分，三次電流分布 接口還包含化學物質傳遞。

該模塊還提供了化學 接口，可以幫助您定義多個物質和電極反應，以及普通化學反應。此外，該接口還可以自動計算混合物和熱力學屬性，包括平衡電位。由這些特征定義的變量（例如局部電流密度和平衡電位）可以與電化學、化學物質傳遞、傳熱 或流體流動 接口進行耦合，使您可以進一步探索多個物理過程的相互作用。

本例在膜電池的實際陽極和陰極結構中描述電流密度分布。

化學物質傳遞

在許多反應系統(tǒng)以及靠近電極的位置，電解質的濃度并非恒定。在這些情況下，除了考慮離子遷移外，還需要綜合考慮擴散和對流的影響。本模塊提供一個內置的三次電流分布，Nernst-Planck 接口，用于描述電解質中化學物質的傳遞。此外，該接口還具有描述擴散、遷移和對流引起的質量傳遞效應的功能。

本例使用內置的三次電流分布，Nernst-Planck 接口來預測肝臟中腫瘤組織電解的傳遞和反應。

研究類型

在 COMSOL Multiphysics? 軟件中，我們提供了豐富的預定義研究類型供您選擇，用于在模型中執(zhí)行各種分析。這些預設研究根據(jù)用戶決定在仿真中包含的物理場接口而有所不同?！半娀瘜W模塊”包含用于動態(tài)仿真的研究類型，例如循環(huán)伏安法或電流中斷分析。通過將循環(huán)伏安法 研究類型與電分析 接口結合使用，您可以計算瞬態(tài)伏安法實驗的結果。

不僅如此，您還可以使用完全基于物理場的建模方法對電化學阻抗譜（EIS）進行建模。我們還提供了許多專門用于特定物理場或物理場組合的研究類型，所有這些研究都包含適用于模型中物理場定義的方程和求解器設置。

添加研究 窗口中提供的主要研究步驟類型。

電分析

“電化學模塊”提供了一個專用的電分析 接口，其中包含一系列方程、邊界條件和速率表達式項，用于模擬電解質中稀物質的質量傳遞過程。該接口通過使用擴散-對流方程來求解電活性物質的濃度，以得到準確的仿真結果。

該接口適用于含有大量惰性“支持電解質”的電解質溶液。在仿真過程中，我們假設歐姆損耗可以忽略不計。此外，該物理場用戶接口還提供了針對循環(huán)伏安法問題和不同電分析技術的專用功能，以滿足您的需求。

使用“電化學模塊”進行循環(huán)伏安法分析生成的循環(huán)伏安圖。

仿真 App

通過 COMSOL Multiphysics? 中的“App 開發(fā)器”，用戶可以在任何現(xiàn)有模型的基礎上構建用戶界面。這一工具使用戶能夠為特定的目的創(chuàng)建定制的仿真 App，并在其中包含明確定義的輸入和輸出。仿真 App 可用于多種不同的原因，例如將困難和重復的任務自動化、創(chuàng)建和更新報告，以及為非專業(yè)人員提供用戶友好的界面。此外，App 還可以增加組織內對模型的訪問，并幫助組織獲得競爭優(yōu)勢。

“案例庫”中還提供了現(xiàn)成的仿真 App，可用于演示和模擬循環(huán)伏安法的使用，以及理解 EIS 圖、奈奎斯特圖和波特圖。

循環(huán)伏安法模型提供了有關電極反應性和電解質的質量傳遞屬性的信息。

電泳輸送

專門的電泳輸送 接口用于求解水基系統(tǒng)中受電位梯度影響的任意數(shù)量物質的電泳輸送問題。該接口將水系統(tǒng)中多種物質的擴散-遷移-對流傳遞耦合在一起，以模擬多種弱酸堿平衡、緩沖溶液、pH 依賴性解離和有效遷移率等現(xiàn)象。此外，用戶還能夠模擬各種形式的電泳模式，包括區(qū)帶電泳、等速電泳、等電聚焦、移動邊界電泳等。

本例使用電泳輸送 和層流 接口模擬自由流動電泳設備中的等電點分離。

擴展的多物理場分析

COMSOL? 軟件提供了先進的多物理場分析能力，可以實現(xiàn)不同模塊的物理場接口之間的耦合。借助 COMSOL Multiphysics? 的強大功能，“電化學模塊”中的接口可以與流體流動接口進行無縫耦合，從而模擬電滲流或流體力學等多種現(xiàn)象。此外，這些接口還支持與傳熱接口相耦合，實現(xiàn)對熱源的模擬，例如活化損失、焦耳熱和其他電化學現(xiàn)象。

本例模擬帶有線電極的任意電化學電池的一次、二次和三次電流密度分布。結果顯示流場和濃度分布。