[發明專利]三維結構中多孔電極的有效面積和負載電流的確定方法

有效

• 申請號: 201710377346.7
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107102049B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 王立章;孔艷
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了三維結構中多孔電極的有效面積和負載電流的確定方法，通過循環伏安掃描曲線確定多孔電極的面積擴張系數，該面積擴張系數與三維結構中金屬陽極幾何面積的乘積即為多孔電極的有效面積；通過電化學阻抗譜圖計算多孔電極的電流利用效率，該電流利用效率與工作電流的乘積即為多孔電極的負載電流。本發明解決了現有計算方法采用經驗模型、忽略反應物與鐵氰化鉀之間巨大差別等所造成的精度差，以及計算過程中涉及反應級數動力學分析所造成的難度高等問題。

技術領域

本發明屬于電化學氧化/還原反應領域，特別涉及了三維結構中多孔電極的有效面積和負載電流的確定方法。

背景技術

三維結構與平面結構相比，在污染物處理以及化工產品生產方面具有諸多優勢，因此，為了有效評估三維結構的氧化還原性能，對多孔電極的有效面積以及負載電流的定量評估顯得尤為重要。目前，定量計算電極面積的方法：超越傳質極限的過電勢分布；在鐵氰化鉀(K₃[Fe(CN)₆])溶液中的CV曲線上尋峰。負載電流的定量計算可通過Butler-Volmer等式實現。

由于多孔電極的有效面積及負載電流完全受傳質系數控制，而上述計算方法均通過經驗模型計算得出，因此精度較差；同時，通過在鐵氰化鉀溶液中的CV曲線上尋峰的方法計算多孔電極有效面積的方法忽略了反應物與鐵氰化鉀之間的巨大差別，因此采用經驗模型計算時可能會導致無法計算填充床系統中粒子電極的相關參數；此外，計算模型的選擇所涉及到的電化學系統的反應級數動力學分析難度較大，尤其是對于多孔電極來說。

發明內容

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發明旨在提供三維結構中多孔電極的有效面積和負載電流的確定方法，解決現有計算方法采用經驗模型、忽略反應物與鐵氰化鉀之間巨大差別等所造成的精度差，以及計算過程中涉及反應級數動力學分析所造成的難度高等問題。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

三維結構中多孔電極的有效面積和負載電流的確定方法，通過循環伏安掃描曲線確定多孔電極的面積擴張系數，該面積擴張系數與三維結構中金屬陽極幾何面積的乘積即為多孔電極的有效面積；通過電化學阻抗譜圖計算多孔電極的電流利用效率，該電流利用效率與工作電流的乘積即為多孔電極的負載電流。

進一步地，所述多孔電極的面積擴張系數的計算公式如下：

上式中，λ為多孔電極的面積擴張系數，為三維結構中的更易感量，三維結構中存在多孔電極，為平面結構中的更易感量，平面結構中不存在多孔電極。

進一步地，通過計算同一三維結構中不同掃速下伏安掃描曲線的積分面積，并將其與各掃速按下式進行線性擬合得到三維結構中的更易感量

上式中，v為掃速，q^*(v)為掃速v下伏安掃描曲線的積分面積，k₁為常數。

進一步地，通過計算同一平面維結構中不同掃速下伏安掃描曲線的積分面積，并將其與各掃速按下式進行線性擬合得到平面結構中的更易感量

上式中，v為掃速，q^*(v)為掃速v下伏安掃描曲線的積分面積，k₂為常數。

進一步地，所述多孔電極的電流利用效率的計算公式如下：

上式中，β為多孔電極的電流利用效率，R_oe為析氧電阻，R_ct為有機物氧化電阻或產物還原電阻，R_oe和R_ct為電化學阻抗譜圖的等效電路模型中的元件，兩者的值通過電化學阻抗譜圖中的Nyquist圖得到。