Перенапряжение - Overpotential - Wikipedia

В электрохимия, перенапряжение это потенциал разница (Напряжение ) между полуреакция термодинамически определяется потенциал сокращения и потенциал, при котором редокс событие наблюдается экспериментально.[1] Этот термин напрямую связан с клеточным КПД по напряжению. В электролитическая ячейка наличие перенапряжения подразумевает, что ячейке требуется больше энергии, чем ожидается термодинамически, чтобы вызвать реакцию. В гальванический элемент наличие перенапряжения означает, что рекуперируется меньше энергии, чем термодинамика предсказывает. В каждом случае лишняя / недостающая энергия теряется как высокая температура. Величина перенапряжения зависит от конструкции каждой ячейки и варьируется в зависимости от ячейки и условий эксплуатации, даже для одной и той же реакции. Перенапряжение определяется экспериментально путем измерения потенциала, при котором данный плотность тока (обычно маленький).

Термодинамика

Ниже перечислены четыре возможных полярности перенапряжения.

  • Электролитическая ячейка анод является более положительным, потребляя больше энергии, чем требуется термодинамике.
  • Электролитическая ячейка катод является более отрицательным, потребляя больше энергии, чем требуется термодинамике.
  • Анод гальванического элемента менее отрицательный, вырабатывая меньше энергии, чем это возможно термодинамически.
  • Катод гальванического элемента менее положительный и вырабатывает меньше энергии, чем это возможно термодинамически.

Перенапряжение увеличивается с ростом плотность тока (или оценивать), как описано в Уравнение Тафеля. Электрохимическая реакция представляет собой комбинацию двух полуэлементов и нескольких элементарных стадий. Каждый шаг связано с множественными формами перенапряжения. Общее перенапряжение - это сумма многих индивидуальных потерь.

КПД по напряжению описывает долю энергии, потерянную из-за перенапряжения. Для электролитический ячейка: это отношение термодинамического потенциала ячейки к экспериментальному потенциалу ячейки, преобразованное в процентиль. Для гальванический ячейка - это отношение экспериментального потенциала ячейки к термодинамическому потенциалу ячейки, преобразованное в процентиль. КПД по напряжению не следует путать с Эффективность Фарадея. Оба термина относятся к режиму, в котором электрохимические системы могут терять энергию. Энергия может быть выражена как произведение потенциала, тока и времени (джоуль = вольт × Ампер × второй ). Потери потенциального члена из-за перенапряжения описываются КПД по напряжению. Потери в текущем члене из-за неверно направленных электронов описываются эффективностью Фарадея.

Разновидности

Перенапряжение можно разделить на множество различных подкатегорий, которые не все четко определены. Например, «перенапряжение поляризации» может относиться к поляризации электрода и гистерезис находится в прямом и обратном пиках циклическая вольтамперометрия. Вероятная причина отсутствия строгих определений заключается в том, что трудно определить, какая часть измеренного перенапряжения получена из конкретного источника. Перенапряжения можно разделить на три категории: активация, концентрация и сопротивление.[2]

Перенапряжение активации

Перенапряжение активации для выделения водорода, кислорода и хлора[нужна цитата ] на различных материалах электродов при 25 ° C[3]
Электрод МатериалВодородКислородХлор
Серебро−0,59 В+0,61 В
Алюминий−0,58 В
Золото−0,12 В+0,96 В
Бериллий−0,63 В
Висмут−0,33 В
Кадмий−0,99 В+0,80 В
Кобальт−0,35 В+0,39 В
Медь−0,50 В+0,58 В
Утюг−0,40 В+0,41 В
Галлий−0,63 В
Меркурий−1,04 В
Индий−0,80 В
Молибден−0,24 В
Ниобий−0,65 В
Никель−0,32 В+0,61 В
Свинец−0,88 В+0,80 В
Палладий−0,09 В+0,89 В
Платина−0,09 В+1,11 В+0,10 В
Платина (платинированный )−0,01 В+0,46 В+0,08 В
Нержавеющая сталь−0,42 В+0,28 В
Графитовый−0,47 В+0,50 В+0,12 В

Перенапряжение активации - это разность потенциалов выше равновесного значения, необходимого для выработки тока, который зависит от энергия активации окислительно-восстановительного события. Хотя это неоднозначно, «перенапряжение активации» часто относится исключительно к энергии активации, необходимой для переноса электрона с электрода на электрод. анолит. Этот вид перенапряжения также можно назвать «перенапряжение переноса электрона» и является компонентом «перенапряжения поляризации», явления, наблюдаемого в циклическая вольтамперометрия и частично описывается Уравнение Коттрелла.

Перенапряжение реакции

Перенапряжение реакции - это перенапряжение активации, которое конкретно относится к химические реакции предшествующие переносу электрона. Перенапряжение реакции может быть уменьшено или устранено с помощью электрокатализаторы. Скорость электрохимической реакции и связанные с ней плотность тока продиктовано кинетикой электрокатализатора и субстрат концентрация.

В платина электрод, общий для большинства электрохимия электрокаталитически участвует во многих реакциях. Например, водород окисляется, и протоны легко восстанавливаются на платиновой поверхности стандартный водородный электрод в водный раствор. Замена электрокаталитически инертного стеклоуглерод Электрод для платинового электрода дает необратимые пики восстановления и окисления с большими перенапряжениями.

Повышенная концентрация

Концентрационное перенапряжение охватывает множество явлений, связанных с истощением носителей заряда на поверхности электрода. Перенапряжение пузыря - это особая форма перенапряжения концентрации, при которой концентрация носителей заряда снижается за счет образования физического пузыря. «Перенапряжение диффузии» может относиться к перенапряжениям концентрации, создаваемому медленными скоростями диффузии, а также «перенапряжениям поляризации», перенапряжение которого происходит в основном из перенапряжения активации, но чей пиковый ток ограничивается диффузией аналита.

Разность потенциалов вызвана разницей в концентрации носителей заряда между объемным раствором и поверхностью электрода. Это происходит, когда электрохимическая реакция протекает достаточно быстро, чтобы снизить поверхностную концентрацию носителей заряда ниже концентрации в объеме раствора. В этом случае скорость реакции зависит от способности носителей заряда достигать поверхности электрода.

Перенапряжение пузыря

Перенапряжение пузырьков - это особая форма перенапряжения концентрации, которая возникает из-за выделения газа на аноде или катоде. Это уменьшает эффективную площадь для тока и увеличивает локальную плотность тока. Примером может служить электролиз водного хлорид натрия решение - хотя кислород должны производиться на аноде в зависимости от его потенциала, пузырчатое перенапряжение хлор вместо этого производиться, что позволяет легко промышленное производство хлора и едкий натр электролизом.

Перенапряжение сопротивления

Перенапряжения сопротивления связаны с конструкцией ячейки. К ним относятся «перенапряжения перехода», которые возникают на поверхностях электродов и границах раздела, например, на электролитных мембранах. Они также могут включать аспекты диффузии электролита, поверхностной поляризации (емкость ) и другие источники счетчика электродвижущие силы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Bard, Allen J .; Фолкнер, Ларри Р. (2001). Электрохимические методы: основы и применение. Вайли. ISBN  978-0-471-04372-0.
  2. ^ Шорт, Г. Д .; Эдмунд. Епископ (1965-07-01). «Концентрационные перенапряжения на сурьмяных электродах в дифференциальной электролитической потенциометрии». Аналитическая химия. 37 (8): 962–967. Дои:10.1021 / ac60227a003.
  3. ^ Херд, Д. М .; Леннокс, А.Дж. (06.07.2020). «Электродные материалы в современной органической электрохимии».. Angewandte Chemie International Edition. 59 (43): 18866–18884. Дои:10.1002 / anie.202005745. PMID  32633073.