電化學模擬模組

Description

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電化學模組（Electrochemistry Module）是 COMSOL Multiphysics 的一個附加模組，提供了用於設計、理解和優化電化學系統的模型和模擬工具。它可用於電化學應用的基礎研究，如循環伏安法、廢水處理、海水淡化和電催化。電化學模組可以與 COMSOL 產品套件中的其他模組結合使用，進一步擴展其多物理場能力。

電化學模組主要用於一般電分析（electroanalysis）、電解（electrolysis）、電滲析（electrodialysis）和生物電化學分析（bioelectrochemistry analysis）。對於涉及電池設計、燃料電池和電解槽、腐蝕和電鍍的項目，還有其他附加產品提供專門的功能。

電分析方法

電化學模組（Electrochemistry Module）能夠描述常見的電分析方法，包括循環伏安法（(cyclic) voltammetry）、(chrono)安培法、電位法（potentiometry）、庫倫法（coulometry）和電化學阻抗譜（EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy）。這些方法可用於在靜態電解液或受強迫流動的電解液中進行模型建立和研究。通過將電化學模組與優化模組（Optimization Module）結合使用，用戶可以從結合的實驗和模擬結果中確定屬性，如交換電流密度、電荷轉移係數、特定活性表面積、擴散性和反應機制。這些隨後可以在工業應用中用於精確的模型建立和設計優化。

電解和電滲析

對於描述一般電解，如氯鹼法和氯酸鹽電解，電化學模組（Electrochemistry Module）包括用於模擬任意電解液、膜和電化學反應的功能，這些反應包括任意數量的離子和中性物種。

該模組還可用於模擬電滲析，如海水淡化為飲用水，以及電去離子化，如超純水生產。類似的電滲析模型可用於研究和設計食品工業中用於pH控制和從葡萄酒、果汁和其他溶液中去除酸的過程。

電化學模組考慮了離子和中性物種的化學物種傳輸、流體流動、熱傳遞以及具有任意反應動力學的電化學反應。

生物電化學

電化學模組（Electrochemistry Module）在生物電化學領域中廣泛使用，用於描述和理解在生化感測器中發生的傳輸和平衡反應，如葡萄糖、氧氣和pH感測器。

該模組還可用於模擬生化系統中的電解，如在電化學治療腫瘤中 —— 這是一種用於動物腫瘤治療的技術。此外，電化學模組也是微生物電化學系統研究的流行工具，用於分析廢水和出水處理等過程。

電化學模組的特點和功能

電化學模組（Electrochemistry Module）包含了用於模擬電化學系統的各種功能

一次、二次和三次電流密度分佈

COMSOL Multiphysics 和電化學模組（Electrochemistry Module）為用戶提供了預製的、用戶友好的界面，用於模擬電化學過程。基本功能由一次電流分佈（Primary Current Distribution）、二次電流分佈（Secondary Current Distribution）和三次電流分佈（Tertiary Current Distribution）界面覆蓋。一次電流分佈界面使用歐姆定律（Ohm's law）和電荷平衡來模擬電解質和電極中的電流流動，同時假設由於電化學反應而產生的電位損失可以忽略不計。二次電流分佈界面和三次電流分佈界面包括一個具有內置塔菲爾（Tafel）和巴特勒-沃爾默（Butler-Volmer）動力學表達式的電極反應特徵。所有三個界面都將電位作為電化學反應動力學的一部分，而三次電流分佈界面還包括化學物種傳輸。

該模組還包括一個化學界面（Chemistry interface），可以幫助定義多個物種和電極反應以及普通化學反應。此外，該界面可以自動計算混合物和熱力學性質，包括平衡電位。這些特徵定義的變量，如局部電流密度和平衡電位，可以與電化學、化學物種傳輸、熱傳遞或流體流動界面結合使用。

化學物種傳輸

在許多反應系統中，以及靠近電極的地方，電解質的濃度並不是恆定的。在這些情況下，除了遷移之外，還需要考慮擴散和對流的影響。有一個內置的三次電流分佈、納恩斯特-普朗克（Nernst-Planck）界面，用於描述電解質中化學物種的傳輸。該界面還包括描述由於擴散、遷移和對流而發生的質量傳輸效應的功能。

研究類型

在 COMSOL Multiphysics 軟體中，有大量預定義的研究類型，可用於對模型進行各種分析。預設研究類型會根據用戶決定在模擬中包含的物理界面而有所不同。電化學模組（Electrochemistry Module）包括用於動態模擬的研究類型，如循環伏安法或電流中斷分析。循環伏安法研究類型可以與電分析界面（Electroanalysis interface）一起用於計算瞬態伏安法實驗。

同時，也可以使用完全基於物理的模型來模擬電化學阻抗譜（EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy）。此外，還有許多專門的研究類型適用於特定物理或物理組合，所有這些研究類型都包含適合模型中物理定義的方程式和求解器設置。

電分析

電化學模組（Electrochemistry Module）包含一個專門的電分析界面（Electroanalysis interface），該界面包括用於模擬電解質中稀釋物種質量傳輸的方程式、邊界條件和速率表達式項。該界面通過使用擴散-對流方程來實現，該方程解決了電活性物種濃度的問題。

該界面適用於含有大量惰性“支持電解質”的電解質溶液。假設歐姆損失可以忽略不計。物理用戶界面包括專門的功能，用於模擬循環伏安法問題和不同的電分析技術。

模擬應用程式

應用程序構建器（Application Builder），包含在 COMSOL Multiphysics 中，使用戶能夠在任何現有模型的基礎上構建用戶界面。這個工具可以用來創建用於非常特定目的的應用程序，具有明確定義的輸入和輸出。應用程式可以出於許多不同的原因使用，例如自動化困難和重複的任務、創建和更新報告以及為非專家提供用戶友好的界面。此外，應用程序可以增加組織內模型的訪問並幫助組織獲得競爭優勢。

應用程序庫中還包括現成的應用程序，可用於演示和模擬循環伏安法的使用，並理解 EIS、奈奎斯特（Nyquist）和波德（Bode）圖。

電泳運輸

專用的電泳運輸界面（Electrophoretic Transport interface）用於解決在水基系統中，受到電位梯度影響的任意數量物種的電泳運輸。該界面將多種物種在水系統中的擴散-遷移-對流運輸耦合起來，用於模型化，例如，多種弱酸-鹼平衡、緩衝溶液、pH依賴性解離和有效遷移率。此外，用戶可以模擬各種形式的電泳模式，如區帶電泳（zone electrophoresis）、等速電泳（isotachophoresis）、等電點聚焦（isoelectric focusing）和移動邊界電泳（moving boundary electrophoresis）。

延伸多物理場分析

COMSOL 軟體允許不同模組的物理界面之間進行耦合。借助 COMSOL Multiphysics 的功能，電化學模組（Electrochemistry Module）中的界面可以與流體流動界面無縫耦合，以模擬如電滲流（electroosmotic flow）或流體動力學等現象。它們還可以與熱傳遞界面耦合，以模擬如活化損失（activation losses）、焦耳加熱（Joule heating）和其他電化學現象等熱源。