[发明专利]三维结构中多孔电极的有效面积和负载电流的确定方法

说明书

本发明公开了三维结构中多孔电极的有效面积和负载电流的确定方法，通过循环伏安扫描曲线确定多孔电极的面积扩张系数，该面积扩张系数与三维结构中金属阳极几何面积的乘积即为多孔电极的有效面积；通过电化学阻抗谱图计算多孔电极的电流利用效率，该电流利用效率与工作电流的乘积即为多孔电极的负载电流。本发明解决了现有计算方法采用经验模型、忽略反应物与铁氰化钾之间巨大差别等所造成的精度差，以及计算过程中涉及反应级数动力学分析所造成的难度高等问题。

技术领域

本发明属于电化学氧化/还原反应领域，特别涉及了三维结构中多孔电极的有效面积和负载电流的确定方法。

背景技术

三维结构与平面结构相比，在污染物处理以及化工产品生产方面具有诸多优势，因此，为了有效评估三维结构的氧化还原性能，对多孔电极的有效面积以及负载电流的定量评估显得尤为重要。目前，定量计算电极面积的方法：超越传质极限的过电势分布；在铁氰化钾(K₃[Fe(CN)₆])溶液中的CV曲线上寻峰。负载电流的定量计算可通过Butler-Volmer等式实现。

由于多孔电极的有效面积及负载电流完全受传质系数控制，而上述计算方法均通过经验模型计算得出，因此精度较差；同时，通过在铁氰化钾溶液中的CV曲线上寻峰的方法计算多孔电极有效面积的方法忽略了反应物与铁氰化钾之间的巨大差别，因此采用经验模型计算时可能会导致无法计算填充床系统中粒子电极的相关参数；此外，计算模型的选择所涉及到的电化学系统的反应级数动力学分析难度较大，尤其是对于多孔电极来说。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供三维结构中多孔电极的有效面积和负载电流的确定方法，解决现有计算方法采用经验模型、忽略反应物与铁氰化钾之间巨大差别等所造成的精度差，以及计算过程中涉及反应级数动力学分析所造成的难度高等问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

三维结构中多孔电极的有效面积和负载电流的确定方法，通过循环伏安扫描曲线确定多孔电极的面积扩张系数，该面积扩张系数与三维结构中金属阳极几何面积的乘积即为多孔电极的有效面积；通过电化学阻抗谱图计算多孔电极的电流利用效率，该电流利用效率与工作电流的乘积即为多孔电极的负载电流。

进一步地，所述多孔电极的面积扩张系数的计算公式如下：

上式中，λ为多孔电极的面积扩张系数，为三维结构中的更易感量，三维结构中存在多孔电极，为平面结构中的更易感量，平面结构中不存在多孔电极。

进一步地，通过计算同一三维结构中不同扫速下伏安扫描曲线的积分面积，并将其与各扫速按下式进行线性拟合得到三维结构中的更易感量

上式中，v为扫速，q^*(v)为扫速v下伏安扫描曲线的积分面积，k₁为常数。

进一步地，通过计算同一平面维结构中不同扫速下伏安扫描曲线的积分面积，并将其与各扫速按下式进行线性拟合得到平面结构中的更易感量

上式中，v为扫速，q^*(v)为扫速v下伏安扫描曲线的积分面积，k₂为常数。

进一步地，所述多孔电极的电流利用效率的计算公式如下：

上式中，β为多孔电极的电流利用效率，R_oe为析氧电阻，R_ct为有机物氧化电阻或产物还原电阻，R_oe和R_ct为电化学阻抗谱图的等效电路模型中的元件，两者的值通过电化学阻抗谱图中的Nyquist图得到。