Прохождение диффузионно-миграционного тока через систему электрод/мембрана/раствор. Часть 1: эволюция в интервале коротких времен. Бинарный электролит (одинаковые подвижности)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложенный недавно экспресс-метод экспериментального определения коэффициентов диффузии электроактивных ионов внутри мембраны и их коэффициентов распределения на границе мембрана/раствор (Электрохимия, 2022, 58, 870 / Russ. J. Electrochem., 2022, 58, 1103) основан на сопоставлении измерений нестационарного тока в системе электрод/мембрана/раствор электролита после скачка потенциала с теоретическими выражениями для зависимости тока от времени. В предыдущих работах применение этого метода для изучения транспорта бромид-аниона через мембрану проводилось в условиях селективной проницаемости (пермселективности) мембраны для неэлектроактивных противоионов, когда напряженность электрического поля внутри нее подавлена их высокой концентрацией, так что движение коионов (бромид-анионов), имеющих внутри мембраны гораздо более низкую концентрацию, происходит по диффузионному механизму, для которого имеются решения в аналитической форме. В данной работе впервые рассмотрен нестационарный электродиффузионный транспорт двух однозарядных ионов (например, фонового катиона М+ и электроактивного аниона Х–) с одинаковыми коэффициентами диффузии внутри мембраны, где в этой пространственной области индуцируется нестационарное электрическое поле, что приводит к отклонению от предсказаний для диффузионного механизма. Установлено, что в интервале коротких времен после скачка потенциала от равновесного состояния мембраны до режима предельного тока, когда толщина нестационарного диффузионного слоя значительно меньше, чем толщина мембраны, нестационарные распределения концентраций ионов и напряженности электрического поля как функции двух переменных (пространственной х и временной t) могут быть выражены через функцию одной переменной Z(z), где z = x/(4Dt)1/2, вид которой в зависимости от отношения поверхностной концентрации компонента Х к плотности фиксированного заряда внутри мембраны (Xm/Cf ) был найден численным интегрированием. Предельный ток меняется во времени по формуле Коттрелла (I ~ t–1/2); зависимость безразмерной амплитуды тока i от параметра Xm/Cf найдена численным расчетом, предложена также приближенная аналитическая формула. В частности, показано, что при малой концентрации коионов у границы мембрана/раствор электролита по сравнению с концентрацией фиксированных заряженных групп мембраны (Xm/Cf≪1) проходящий ток близок к предельному диффузионному, тогда как при выполнении противоположного условия (Xm/Cf≫1) миграционный вклад в потоки ионов приводит к удвоению предельного тока.

Об авторах

М. А. Воротынцев

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mivo2010@yandex.com
Россия, Москва

П. А. Задер

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: mivo2010@yandex.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Perry, M.L., Saraidaridis, J.D., and Darling, R.M., Crossover mitigation strategies for redox–flow batteries, Current Opinion in Electrochem., 2020, vol. 21, p. 311.
  2. Saadi, K., Nanikashvili, P., Tatus–Portnoy, Z., Hardisty, S., Shokhen, V., Zysler, M., and Zitoun, D., Crossover–tolerant coated platinum catalysts in hydrogen/bromine redox flow battery, J. Power Sources, 2019, vol. 422, p. 84.
  3. Darling, R.M., Weber, A.Z., Tucker, M. C., and Perry, M.L., The influence of electric field on crossover in redox–flow batteries, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 163, no. 1, p. A5014.
  4. Oh, K., Weber, A.Z., and Ju, H., Study of bromine species crossover in H2/Br2 redox flow batteries, Intern. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 6, p. 3753.
  5. Shi, Y., Wei, Z., Liu, H., and Zhao, J., Dynamic modeling of long–term operations of vanadium/air redox flow battery with different membranes, J. Energy Storage, 2022, vol. 50, p. 104171.
  6. Barton, J.L. and Brushett, F.R., A one-dimensional stack model for redox flow battery analysis and operation, Batteries, 2019, vol. 5, no. 1, p. 25.
  7. Cho, K.T., Albertus, P., Battaglia, V., Kojic, A., Srinivasan, V., and Weber, A.Z., Optimization and analysis of high‐power hydrogen/bromine‐flow batteries for grid‐scale energy storage, Energy Technology, 2013, vol, 1, no. 10, p. 596.
  8. Maurya, S., Shin, S.H., Lee, J.Y., Kim, Y., and Moon, S.H., Amphoteric nanoporous polybenzimidazole membrane with extremely low crossover for a vanadium redox flow battery, RSC advances, 2016, vol. 6, no. 7, p. 5198.
  9. Peng, S., Zhang, L., Zhang, C., Ding, Y., Guo, X., He, G., and Yu, G., Gradient‐Distributed Metal–Organic Framework–Based Porous Membranes for Nonaqueous Redox Flow Batteries, Advanced Energy Mater., 2018, vol. 8, no. 33, p. 1802533.
  10. Gvozdik, N.A., Sanginov, E.A., Abunaeva, L.Z., Konev, D.V., Usenko, A.A., Novikova, K.S., Stevenson, K.J., and Dobrovolsky, Y. A., A Composite Membrane Based on Sulfonated Polystyrene Implanted in a Stretched PTFE Film for Vanadium Flow Batteries, ChemPlusChem, 2020, vol. 85, no. 12, p. 2580.
  11. Leung, P.K., Xu, Q., Zhao, T.S., Zeng, L., and Zhang, C., Preparation of silica nanocomposite anion–exchange membranes with low vanadium–ion crossover for vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2013, vol. 105, p. 584.
  12. Bukola, S., Li, Z., Zack, J., Antunes, C., Korzeniewski, C., Teeter, G., & Pivovar, B., Single–layer graphene as a highly selective barrier for vanadium crossover with high proton selectivity, J. Energy Chem., 2021, vol. 59, p. 419.
  13. Huang, S.L., Yu, H.F., and Lin, Y.S., Modification of Nafion® membrane via a sol–gel route for vanadium redox flow energy storage battery applications, J. Chem., 2017, vol. 2017, p. 1.
  14. Will, F.G., Bromine Diffusion Through Nafion® Perfluorinated Ion Exchange Membranes, J. Electrochem. Soc., 1979, vol. 126, no. 1, p. 36.
  15. Park, J.W., Wycisk, R., and Pintauro, P.N., Nafion/PVDF nanofiber composite membranes for regenerative hydrogen/bromine fuel cells, J. Membrane Sci., 2015, vol. 490, p. 103.
  16. Heintz, A. and Illenberger, C., Diffusion coefficients of Br2 in cation exchange membranes, J. Membrane Sci., 1996, vol. 113, no. 2, p. 175.
  17. Yeo, R. and McBreen, J., Transport properties of Nafion membranes in electrochemically regenerative hydrogen/halogen cells, J. Electrochem. Soc., 1979, vol. 126, p. 1682.
  18. Baldwin, R.S., Electrochemical performance and transport properties of a Nafion membrane in a hydrogen-bromine cell environment, NASA TM (NAS 1.15:89862), 1987, vol. 89862, p. 1.
  19. Kimble, M. and White, R., Estimation of the diffusion coefficient and solubility for a gas diffusing through a membrane, J. Electrochem. Soc., 1990, vol. 137, p. 2510.
  20. Haug, A.T. and White, R.E., Oxygen diffusion coefficient and solubility in a new proton exchange membrane, J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, p. 980.
  21. White, H.S., Leddy, J., and Bard, A.J., Polymer films on electrodes. 8. Investigation of charge–transport mechanisms in Nafion polymer modified electrodes, J. Am. Chem. Soc., 1982, vol. 104, p. 4811.
  22. Mello, R.M.Q. and Ticianelli, E.A., Kinetic study of the hydrogen oxidation reaction on platinum and Nafion ® covered platinum electrodes, Electrochim. Acta, 1997, vol. 42, no. 6, p. 1031.
  23. Ayad, A., Naimi, Y., Bouet, J., and Fauvarque, J.F., Oxygen reduction on platinum electrode coated with Nafion®, J. Power Source, 2004, vol. 130, p. 50.
  24. Brunetti, B., Desimoni, E., and Casati, P., Determination of Caffeine at a Nafion‐Covered Glassy Carbon Electrode, Electroanalysis, 2007, vol. 19, no. 2–3, p. 385.
  25. Sadok, I., Tyszczuk–Rotko, K., and Nosal–Wierci´nska, A., Bismuth particles Nafion covered boron–doped diamond electrode for simultaneous and individual voltammetric assays of paracetamol and caffeine, Sensors & Actuators, B: Chem., 2016, vol. 235, p. 263.
  26. Конев, Д.В., Истакова, О.И., Карташова, Н.В., Абунаева, Л.З., Пырков, П.В., Локтионов, П.А., Воротынцев, М.А. Электрохимическое измерение коэффициента диффузии коиона через ионообменную мембрану. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 870. [Konev, D.V., Istakova, O.I., Kartashova, N.V., Abunaeva, L.Z., Pyrkov, P.V., Loktionov, P.A., and Vorotyntsev, M.A., Electrochemical Measurement of Co–Ion Diffusion Coefficient in Ion–Exchange Membranes, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 1103.]
  27. Konev, D.V., Istakova, O.I., and Vorotyntsev, M.A., Electrochemical measurement of interfacial distribution and diffusion coefficients of electroactive species for ion–exchange membranes, Membranes, 2022, vol. 12, no. 11, p. 1041.
  28. Myland, J.C. and Oldham, K.B., Limiting currents in potentiostatic voltammetry without supporting electrolyte, Electrochem. Commun., 1999, vol. 1, no. 10, p. 467.
  29. Bieniasz, L.K., Analytical formulae for chronoamperometry of a charge neutralisation process under conditions of linear migration and diffusion, Electrochem. Commun., 2002, vol. 4, p. 917.
  30. Lange, R. and Doblhofer, K., The transient response of electrodes coated with membrane–type polymer films under conditions of diffusion and migration of the redox ions, J. Electroanal. Chem. and Interfacial Electrochem., 1987, vol. 237, p. 13.
  31. Britz, D., Digital Simulation in Electrochemistry, Berlin: Springer, 1988. 338 p.
  32. Helfferich, F.G., Ion Exchange, New York: Dover Publications, Inc., 1995. 624 p.
  33. Заболоцкий, В.И., Никоненко, В.В. Перенос ионов в мембранах, М.: Наука, 1996. 392 с. [Zabolotsky, V.I. and Nikonenko, V.V., Ion Transfer in Membranes (in Russian), Moscow: Nauka, 1996. 392 p.]
  34. Newman, J.S., Electrochemical Systems, London – Englewood Cliffs: Prentice–Hall, Inc., 1973. 432 p.
  35. Pfabe, K.A., A problem in nonlinear ion transport, Lincoln: University of Nebraska, PhD Thesis, 1995. 125 p.
  36. Cohn, S., Pfabe, K., Redepenning, J., A similarity solution to a problem in nonlinear ion transport with a nonlocal condition, Math. Mod. Meth. Appl. Sci., 1999, vol. 9, p. 445.
  37. Pfabe, K. and Shores, T.S., Numerical methods for an ion transport problem, Appl. Numer. Math., 2000, vol. 32, p. 175.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024