【化工】基于Matlab的二氧化碳电解的瞬态扩散反应模型

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🔥 内容介绍

二氧化碳电解的技术背景与反应体系

二氧化碳（CO₂）电解是一种通过电化学方法将 CO₂转化为高附加值化学品（如 CO、CH₄、C₂H₄、HCOOH 等）的绿色转化技术，其核心是在电解池内通过施加外加电压，驱动 CO₂在阴极发生还原反应，同时阳极发生水氧化或析氧反应。该技术既能实现 CO₂的资源化利用，又能结合可再生能源（如光伏、风电）存储电能，在 “双碳” 目标下具有重要应用价值。

典型的 CO₂电解体系主要包括三类：

1. 水溶液体系：以 KOH、KHCO₃等水溶液为电解质，优势是离子电导率高、成本低，但 CO₂溶解度低（25℃时约 0.03mol/L）且易生成碳酸盐，导致反应效率下降；

1. 非水溶液体系：以乙腈、离子液体等为电解质，可提升 CO₂溶解度（离子液体中溶解度可达 1-5mol/L），但离子电导率低、毒性较大，限制规模化应用；

1. 固态电解质体系：以质子交换膜（PEM）、氧离子传导膜（OIM）为电解质，可避免电解液挥发与交叉污染，适配模块化电解池设计，是当前研究热点。

无论何种体系，CO₂电解的核心过程均包含 “反应物传输 - 界面反应 - 产物脱附” 三个环节，其中瞬态扩散（如电解启停、电流密度突变时的浓度动态变化）与表面反应的耦合作用，直接决定电解效率、产物选择性与长期稳定性。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%  @j_0     vector of exchange current density in [A/m2]

%  @a       vector of charge transfer coefficient in [-]

%  @T       temperature in [K]

%  @E       applied potential on SHE scale in [V]

%  @E_0     equilibrium potential on SHE scale in [V]

%  @c       surface concentration in [mol/m3]

%  @c_0     equilibrium concentration in [mol/m3]

%  @returns structure with current density of product in [A/m2]

%                          total polarization in [V]

%                          transport polarization in [V]

%                          kinetic polarization in [V]

function kin = butlerVolmer(j_0,a,T,E,E_0,c,c_0)

    R = 8.3145; % [J/mol/K]

    F = 96485;  % [C/mol]

    % column 1: partial current density in [A/m2]

    % column 2: total polarization in [V]

    % column 3: transport polarization (T) in [V]

    % column 4: transport polarization (K) in [V]

    % column 5: kinetic polarization in [V]

    % field names preceded by 'i' indicate ionic species

    kin       = struct('H2',     {0,0,0,0},...

                       'CO',     {0,0,0,0},...

                       'CH4',    {0,0,0,0},...

                       'iHCOO',  {0,0,0,0},... 

                       'C2H4',   {0,0,0,0},...

                       'C2H5OH', {0,0,0,0},...

                       'iCH3COO',{0,0,0,0});  

    kin(1).H2    = -j_0(1)*exp(-2*a(1)*F/(R*T)*(E - E_0(6).H2));

    kin(2).H2    = E - E_0(5).H2;

    kin(3).H2    = E_0(6).H2 - E_0(5).H2;

    kin(4).H2    = 0;

    kin(5).H2    = R*T/(2*a(2)*F)*log(j_0(2)./kin(1).H2);

    kin(1).CO    = -j_0(2)*c(2)/c_0(2)*exp(-2*a(2)*F/(R*T)*(E - E_0(6).CO));

    kin(2).CO    = E - E_0(5).CO;

    kin(3).CO    = E_0(6).CO - E_0(5).CO;

    kin(4).CO    = R*T/(2*a(2)*F)*log(c(2)/c_0(2));

    kin(5).CO    = R*T/(2*a(2)*F)*log(j_0(2)./kin(1).CO);

    kin(1).iHCOO = -j_0(3)*c(2)/c_0(2)*c_0(1)/c(1)*exp(-2*a(3)*F/(R*T)*(E - E_0(6).iHCOO));

    kin(2).iHCOO = E - E_0(5).iHCOO;

    kin(3).iHCOO = E_0(6).iHCOO - E_0(5).iHCOO;

    kin(4).iHCOO = R*T/(2*a(3)*F)*log(c(2)/c_0(2)*c_0(1)/c(1));

    kin(5).iHCOO = R*T/(2*a(3)*F)*log(j_0(3)./kin(1).iHCOO);

    kin(1).CH4   = -j_0(4)*c(2)/c_0(2)*(c_0(1)/c(1))^2*exp(-8*a(4)*F/(R*T)*(E - E_0(6).CH4));

    kin(2).CH4   = E - E_0(5).CH4;

    kin(3).CH4   = E_0(6).CH4 - E_0(5).CH4;

    kin(4).CH4   = R*T/(8*a(4)*F)*log(c(2)/c_0(2)*(c_0(1)/c(1))^2);

    kin(5).CH4   = R*T/(8*a(4)*F)*log(j_0(4)./kin(1).CH4);

    kin(1).C2H4  = -j_0(5)*(c(2)/c_0(2))^2*exp(-12*a(5)*F/(R*T)*(E - E_0(6).C2H4));

    kin(2).C2H4  = E - E_0(5).C2H4;

    kin(3).C2H4  = E_0(6).C2H4 - E_0(5).C2H4;

    kin(4).C2H4  = R*T/(6*a(5)*F)*log(c(2)/c_0(2));

    kin(5).C2H4  = R*T/(6*a(5)*F)*log(j_0(5)./kin(1).C2H4);

end

🔗 参考文献

[1]李玮洁.变密度炭化复合材料的热防护模型及其数值模拟[D].北京交通大学,2017.

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