Multi-scale modeling of diffusion and electrochemical reactions in porous micro-electrodes

微尺度化学 材料科学 多孔性 电极 扩散 多孔介质 电化学 热力学 机械 化学 复合材料 物理化学 物理 数学 数学教育
作者
Tien Dung Le,Didier Lasseux,Xuan–Vien Nguyen,Gérard L. Vignoles,Nicolas Mano,Alexander Kuhn
出处
期刊:Chemical Engineering Science [Elsevier BV]
卷期号:173: 153-167 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.ces.2017.07.039
摘要

A multi-scale model of diffusion/reaction at play in a porous electrode is developed and solutions to the physico-electro-chemical coupled problem are provided. This represents a key step to progress in the optimization of new efficient and innovative micro-electro-devices that needs to be addressed from a chemical engineering point of view. The pore-scale model based on Fickian diffusion in the porous medium and Nernstian layer and the electrochemical reaction governed by the Buttler-Volmer equation is upscaled using volume averaging to obtain a macroscopic model that describes the process on an effective equivalent medium. The validity and accuracy of the macroscopic model is successfully checked through the comparison with direct numerical simulations of the initial microscale model for amperometry tests. Predictions obtained from the upscaled model on the current intensity versus the scanning potential during voltammetry reveal to be in very good agreement with experimental results reported in the literature. These results show the capability of the macroscopic model to analyze the behavior of the porous electrode. In particular, it provides an efficient tool to study the dependence of the current intensity on the microstructure of the porous material and on the electrochemical parameters with the perspective of optimizing the electrode efficiency.
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