Numerical simulations of an electrochemical flow cell using finite-element simulations

Abstract

Unser tägliches Leben hängt stark von katalytischen Prozessen ab. Da wir die Verantwortung dafür übernehmen sollten, unsere verfügbaren Ressourcen, die von der Natur bereitgestellt werden, mit größter Effizienz zu nutzen, sollte die Optimierung dieser oben genannten Methoden hohe Priorität haben. Eine Methode zur Untersuchung der katalytischen Eigenschaften von Oberflächen sind elektrochemische Messungen. Zu diesem Zweck soll eine neue Durchflusszelle gebaut werden, um die Leistung von Einzelatomkatalysatoren zu untersuchen. Das endgültige Design der Durchflusszelle umfasst unter anderem die In-situ-Infrarotabsorptions-Messung sowie den Nachweis von Reaktionsprodukten mittels Massenspektrometrie während der Messungen. Um die elektrochemische Durchflusszelle zu optimieren, wurden Simulationen mit dem Finite-Elemente-Programm COMSOL Multiphysics an einer Testgeometrie durchgeführt, die bewusst so einfach wie möglich gewählt wurde, um als idealer Maßstab für den Einfluss aller beteiligten Effekte wie beispielsweise der Positionierung von Elektroden zu dienen. Drei verschiedene Arten von Simulationen wurden durchgeführt und miteinander verglichen. Zunächst wurden alle elektrochemischen Prozesse durch einen Konzentrationsfluss an der Arbeitselektrode ersetzt, der dem Fall einer vollkommen gleichmäßigen Stromverteilung über die Elektrodenoberfläche entspricht. Anschließend wurden Simulationen mit konzentrationsunabhängiger Elektrodenkinetik durchgeführt. Um die Auswirkungen der Konzentrationsabhängigkeit zu berücksichtigen, wurden Simulationen mit einem konzentrationsabhängigen Butler-Volmer-Formalismus durchgeführt. Konzentrationsabhängigkeit bedeutet, dass die aufgrund der angewandten Elektrochemie erzeugten Reaktionsprodukte die Zellleistung beeinflussen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Parameterstudien durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Elektrodenpositionen und den Einfluss der Kanalhöhe, d.h. des Abstands zwischen Arbeits- und Gegenelektrode, auf die Zellleistung zu bestimmen. Die Kanalhöhe ist entscheidend, wenn eine Messung mit Infrarotabsorption gewünscht wird. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass für das simulierte Experiment (Auflösung von Metall durch einen angelegten Spannungsimpuls) kein signifikanter Einfluss der erzeugten Reaktionsprodukte auf die Zellleistung auftritt.

Our everyday lives depend greatly on catalytic processes and since we should take responsibility on utilising our available resources provided by nature with greatest efficiency, optimising these aforementioned methods should have high priority. One method to investigate the catalytic properties of surfaces is by means of electrochemical measurements. For this purpose, a new flow cell will be built to study the performance of single atom catalysts. Among other things, the final design of the flow cell will include in-situ infrared absorption measurements as well as detection of reaction products using mass spectrometry during measurements. To optimise the electrochemical flow cell, simulations utilising the finite-element simulation program COMSOL Multiphysics were performed on a simple test geometry which was deliberately chosen to be as simple as possible to act as an ideal benchmark to test the influence of all involved effects like for example positioning of electrodes. Three different types of simulations were performed and compared to each other. First, all electrochemical processes were substituted by a concentration influx at the working electrode which resembles the case of a perfectly uniform current distribution across the electrode surface. Then simulations were performed using concentration-independent electrode kinetics and to include effects of concentration dependence, simulations using a concentration-dependent Butler--Volmer formalism were performed. Concentration dependence means that the generated species due to the applied electrochemistry influence the cell performance. In the last part of this thesis, two different parameter studies were conducted to determine the impact of different electrode positions and the influence of the channel height, i.e., the distance between working- and counter electrode, on the cell performance. The channel height is crucial when probing with infrared absorption is desired during measurements. Simulation results show that for the simulated experiment (dissolution of metal by an applied voltage pulse) no significant impact of the generated reaction products on the cell performance occurs.