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Surtension (chimie)

1910
  • Julius Tafel
Installation d'un électrolyseur industriel illustrant le surpotentiel en électrochimie.

(generate image for illustration only)

Overpotential is the potential difference (voltage) between a half-reaction’s thermodynamically determined reduction potential and the potential at which the redox event is experimentally observed. It represents the extra energy required to overcome activation barriers for the electrode reaction to proceed at a significant rate. It is a key factor in the energy efficiency of all electrolytic processes.

In an ideal electrolytic cell, the applied voltage needed to drive a reaction would be exactly equal to the cell’s standard electrode potential ([latex]E^0_{cell}[/latex]). However, in reality, a significantly higher voltage is almost always required. This excess voltage is the overpotential ([latex]\eta[/latex]). The total cell potential ([latex]E_{cell}[/latex]) is the sum of the equilibrium potential, the overpotentials at both electrodes, and the ohmic drop (IR drop) across the electrolyte: [latex]E_{cell} = E^0_{cell} + \eta_{anode} + \eta_{cathode} + IR_{drop}[/latex].

Overpotential arises from several sources. Activation overpotential is related to the kinetics of the electron transfer step at the electrode surface itself. Some reactions, like the evolution of hydrogen or oxygen gas, have inherently slow kinetics and require a large activation overpotential. Concentration overpotential occurs when the concentration of reactants at the electrode surface differs from the bulk concentration due to slow diffusion. Resistance overpotential is caused by the resistance of the electrolyte or films on the electrode surface.

The relationship between current density (j) and activation overpotential is often described by the Tafel equation: [latex]\eta = a + b \log(j)[/latex], where ‘a’ and ‘b’ are constants (Tafel parameters) specific to the electrode reaction and material. This equation shows that to get a higher reaction rate (higher current density), a larger overpotential is required. The primary goal in designing efficient electrochemical systems is to minimize overpotential, which is typically achieved by using electrocatalysts (materials that lower the activation energy), increasing the operating temperature, or optimizing the electrode structure to enhance mass transport.

UNESCO Nomenclature: 2406
- Électrochimie

Taper

Physical Phenomenon

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Nernst equation describing equilibrium electrode potentials
  • Équation d'Arrhenius reliant la vitesse de réaction à l'énergie d'activation
  • développement du concept de cinétique chimique
  • Faraday’s laws of electrolysis

Applications

  • concevoir des électrolyseurs industriels efficaces (par exemple pour la production d'hydrogène)
  • développer de meilleurs catalyseurs pour réduire les pertes d'énergie dans les piles à combustible
  • comprendre et prévenir la corrosion
  • améliorer les performances des batteries pendant la charge
  • optimisation des procédés de galvanoplastie pour des revêtements uniformes

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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