Modéliser des systèmes électrochimiques avec le module Electrochemistry

Un graphique en 2D d'un modèle de microdisque montrant le profil de concentration en palette de couleurs Dipole.

Méthodes électroanalytiques

Le module Electrochemistry permet de simuler les méthodes électroanalytiques les plus courantes, comme la voltampérométrie (cyclique), l'ampérométrie et la chronoampérométrie, la potentiométrie, la coulométrie et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Ces méthodes peuvent être utilisées pour la modélisation et l'analyse d'une solution électrolytique statique ou soumise à un écoulement de fluide forcé. L'utilisation du module Electrochemistry donne la possibilité d'estimer des paramètres à partir de résultats expérimentaux combinés aux résultats de simulation, tels que les densités de courant d'échange, les coefficients de transfert de charge, les surfaces actives spécifiques, les diffusivités et les mécanismes de réaction. Ces propriétés peuvent ensuite être utilisées dans des applications industrielles à des fins de modélisation et d'optimisation de design.

Électrolyse et électrodialyse

Pour décrire les procédés d'électrolyse, comme l'électrolyse chlore-alcali et l'électrolyse du chlorate, le module Electrochemistry intègre des fonctionnalités permettant de modéliser des électrolytes arbitraires, des membranes et des réactions électrochimiques comprenant un nombre quelconque d'ions et d'espèces neutres.

Le module peut également être utilisé afin de modéliser l'électrodialyse, pour le dessalement de l'eau de mer en eau potable, et l'électrodéionisation, pour la production d'eau ultrapure. Des modèles similaires d'électrodialyse peuvent être utilisés pour étudier et concevoir des procédés de contrôle du pH et de désacidification du vin, des jus de fruits et d'autres produits de l'industrie agroalimentaire.

Le module Electrochemistry prend en compte le transport des espèces chimiques chargées et neutres, l'écoulement de fluide et le transfert de chaleur, ainsi que les réactions électrochimiques décrites par des cinétiques arbitraires.

Un graphique 1D montrant la concentration des ions avec des lignes verte et bleue.

Un graphique 1D montrant différents profils de pH issus d'un modèle de tumeur.

Bioélectrochimie

Le module Electrochemistry est couramment utilisé dans le domaine de la bioélectrochimie pour décrire et comprendre les réactions de transport et d'équilibre qui se produisent dans les capteurs biochimiques, tels que les capteurs de glucose, d'oxygène et de pH.

Le module peut également être utilisé pour modéliser l'électrolyse dans les systèmes biochimiques, comme dans le traitement électrochimique des tumeurs - technique notamment utilisée pour les animaux. En outre, le module Electrochemistry est un outil largement utilisé pour la recherche sur les systèmes électrochimiques microbiens, en particulier pour l'analyse des procédés de traitement des eaux usées et des effluents.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Electrochemistry

Le module Electrochemistry dispose de nombreuses fonctionnalités permettant de modéliser les systèmes électrochimiques.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Réaction à l'électrode mis en évidence et un modèle de chlore-alcali dans la fenêtre graphique.

Distribution de courant primaire, secondaire et tertiaire

COMSOL Multiphysics^® et le module Electrochemistry fournissent aux utilisateurs des interfaces prêtes à l'emploi et conviviales pour la modélisation des processus électrochimiques, notamment via les interfaces Distribution de courant primaire, Distribution de courant secondaire et Distribution de courant tertiaire. L'interface Distribution de courant primaire utilise la loi d'Ohm ainsi qu'un bilan de charge pour modéliser la densité de courant dans l'électrolyte et les électrodes tout en supposant que les pertes de potentiel électrique dues aux réactions électrochimiques sont négligeables. Les interfaces Distribution du courant secondaire et Distribution du courant tertiaire ajoutent la fonctionnalité Réaction de l'électrode avec des expressions cinétiques de Tafel et de Butler-Volmer intégrées. Les trois interfaces tiennent compte du potentiel dans les cinétiques de réaction électrochimique, et l'interface Distribution de courant tertiaire inclut en outre le transport des espèces chimiques.

Le module comprend également une interface Chimie qui peut aider à définir des espèces multiples et des réactions d'électrodes ainsi que des réactions chimiques ordinaires. En outre, l'interface peut calculer automatiquement les propriétés des mélanges et les propriétés thermodynamiques, dont les potentiels d'équilibre. Les variables définies par ces fonctions, telles que les densités de courant locales et les potentiels d'équilibre, peuvent être couplées à des interfaces de type Electrochimie, Transport d'espèces chimiques, Transfert de chaleur ou Ecoulement fluide.

Vue rapprochée de la fenêtre Ajouter une étude et d'un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Types d'études

Le logiciel COMSOL Multiphysics^® propose un large choix de types d'études prédéfinis qui peuvent être utilisés pour effectuer diverses analyses dans un modèle. Les études prédéfinies varient en fonction des interfaces physiques que l'utilisateur décide d'inclure dans une simulation. Le module Electrochemistry comprend des types d'études pour les simulations dynamiques de voltampérométrie cyclique ou d'interruption de courant. Le type d'étude Voltampérométrie cyclique notamment peut être utilisé pour simuler des expériences de voltampérométrie transitoire avec l'interface Electroanalyse.

Il est également possible de simuler la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) avec une modélisation complète basée sur la physique. En outre, de nombreuses études spécialisées sont disponibles pour certaines physiques ou combinaisons de physiques, qui contiennent toutes des paramètres d'équation et de solveur adaptés aux définitions physiques du modèle.

Transport d'électrolyte concentré

L'interface Transport d'électrolyte concentré peut être utilisée pour modéliser le transport dans les solutions électrolytiques contenant un nombre arbitraire d'espèces chargées et non chargées. Cette interface d'électrochimie est basée sur la théorie des solutions concentrées, dans laquelle les équations de transport sont définies en utilisant des coefficients binaires de Maxwell-Stefan en faisant l'hypothèse d'une électroneutralité locale. À la différence des équations de Nernst-Planck, la théorie des solutions concentrées ne s'appuie pas sur une hypothèse selon laquelle les espèces électrolytiques seraient diluées dans un solvant neutre de concentration constante. Les applications principales incluent les liquides ioniques, les sels fondus et les solutions à haute concentration avec des gradients significatifs de concentration des espèces porteuses de charges. Cette interface est particulièrement adaptée pour l'analyse du transport multicomposants dans des systèmes électrochimiques avancés.

Vue rapprochée des entrées et des résultats ainsi que de la fenêtre graphique dans une application de simulation.

Applications de simulation

Le Constructeur d'applications, inclus dans COMSOL Multiphysics^®, offre aux utilisateurs la possibilité de construire des interfaces utilsateurs basées sur n'importe quel modèle existant. Cet outil permet de créer des applications de simulation à des fins très spécifiques, en restreignant les entrées et les sorties visibles. Ces applications peuvent être utilisées pour de nombreuses raisons, telles qu'automatiser des tâches complexes et répétitives, créer et mettre à jour des rapports, ou encore fournir des interfaces utilisateurs conviviales pour les non-spécialistes. En outre, les applications peuvent améliorer l'accès aux modèles au sein d'une organisation et contribuer à créer un avantage concurrentiel.

La bibliothèque d'applications contient également des applications prêtes à l'emploi qui peuvent être utilisées pour illustrer et simuler l'utilisation de la voltampérométrie cyclique ou pour comprendre les diagrammes de Nyquist et Bode en EIS.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Electrolyte en évidence et un modèle de tumeur dans la fenêtre graphique.

Transport d'espèces chimiques

Dans de nombreux systèmes réactifs, et à proximité des électrodes, la concentration de l'électrolyte n'est pas constante. Dans ces cas, les effets de la diffusion et de la convection doivent être pris en compte en plus de la migration. Il existe une interface intégrée Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck pour décrire le transport des espèces chimiques dans l'électrolyte. Cette interface comprend également une fonctionnalité permettant de décrire les effets de transport de masse dus à la diffusion, à la migration et à la convection.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Électroanalyse mis en évidence et un graphique 1D dans la fenêtre graphique.

Electroanalyse

Le module Electrochemistry contient une interface spécialisée Electroanalyse qui comprend des équations, des conditions aux limites et des expressions de taux de réaction pour modéliser le transport de masse d'espèces diluées dans des électrolytes. L'interface rend cela possible grâce à l'utilisation de l'équation de diffusion–convection qui résout les concentrations des espèces électroactives.

L'interface est applicable aux solutions électrolytiques contenant une grande quantité d'"électrolyte support" inerte. La perte ohmique est supposée négligeable. L'interface physique comprend des fonctionnalités spécialisées pour la modélisation des problèmes de voltampérométrie cyclique et de différentes techniques électroanalytiques.

Vue rapprochée de la fenêtre de réglages pour le noeud Protéine et d'un graphique 2D dans la fenêtre graphique.

Transport électrophorétique

L'interface Transport électrophorétique peut être utilisée pour résoudre le transport électrophorétique en solution aqueuse d'un nombre arbitraire d'espèces, sujettes à des gradients de potentiel. L'interface résout le transport de ces espèces par diffusion, migration et convection pour modéliser, par exemple, plusieurs équilibres acide-base faibles, des solutions tampons, une dissociation dépendante du pH et des mobilités effectives. En outre, les utilisateurs peuvent simuler différents modes d'électrophorèse, tels que l'électrophorèse sur support, l'isotachophorèse, la focalisation isoélectrique et l'électrophorèse à frontière mobile.

Transport d'électrolyte aqueux

Pour modéliser les électrolytes dilués, aqueux, contenant des acides faibles, des bases faibles, des ampholytes et des espèces complexes, l'interface Transport d'électrolyte aqueux offre une approche efficace adaptée aux applications telles que la modélisation de la corrosion mécanique, les modèles électrochimiques de systèmes biologiques, ainsi que la modélisation des capteurs électrochimiques. Elle calcule le potentiel électrique et la concentration des espèces en utilisant les équations de Nernst-Planck avec diffusion, migration et convection, combinées à l'électroneutralité et à l'autoprotolyse de l'eau. En traitant les espèces simples et complexes avec des réactions d'équilibre, l'interface réduit le nombre de variables dépendantes et simplifie l'implémentation du modèle. L'interface Transport d'électrolyte aqueux est disponible dans l'ensemble des produits pour l'ingénierie électrochimique: module Battery Design, module Fuel Cell & Electrolyzer, module Electrodeposition, module Corrosion, et module Electrochemistry.

Vue rapprochée des réglages du noeud Ecoulement réactif, espèces diluées et d'un modèle d'électrode à fil dans la fenêtre graphique.

Analyses multiphysiques étendues

Le logiciel COMSOL^® permet de créer des couplages entre les interfaces physiques provenant de différents modules. Grâce aux capacités de COMSOL Multiphysics^®, les interfaces du module Electrochemistry peuvent être couplées de manière transparente avec des interfaces d'écoulement fluide pour simuler des phénomènes tels que l'écoulement électroosmotique ou la dynamique des fluides. Elles peuvent également être couplées à des interfaces de transfert de chaleur pour modéliser les échauffements induits par les pertes par activation, par l'effet Joule ou par d'autres phénomènes électrochimiques.

Module Electrochemistry

Méthodes électroanalytiques

Électrolyse et électrodialyse

Bioélectrochimie

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