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Sovratensione (chimica)

1910
  • Julius Tafel
Configurazione dell'elettrolizzatore industriale che illustra il sovrappotenziale in elettrochimica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il sovrapotenziale è la differenza di potenziale (tensione) tra il potenziale di riduzione determinato termodinamicamente di una semireazione e il potenziale al quale si osserva sperimentalmente l'evento redox. Rappresenta l'energia supplementare necessaria per superare le barriere di attivazione affinché la reazione elettrolitica proceda a una velocità significativa. È un fattore chiave nell'efficienza energetica di tutti i processi elettrolitici.

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].

Il sovrapotenziale deriva da diverse fonti. Il sovrapotenziale di attivazione è correlato alla cinetica della fase di trasferimento elettronico sulla superficie dell'elettrodo stesso. Alcune reazioni, come lo sviluppo di idrogeno o ossigeno gassoso, hanno una cinetica intrinsecamente lenta e richiedono un sovrapotenziale di attivazione elevato. Il sovrapotenziale di concentrazione si verifica quando la concentrazione dei reagenti sulla superficie dell'elettrodo differisce dalla concentrazione in massa a causa della lenta diffusione. Il sovrapotenziale di resistenza è causato dalla resistenza dell'elettrolita o dei film sulla superficie dell'elettrodo.

La relazione tra densità di corrente (j) e sovratensione di attivazione è spesso descritta dall'equazione di Tafel: [latex]\eta = a + b \log(j)[/latex], dove ‘a’ e ‘b’ sono costanti (parametri di Tafel) specifiche della reazione elettrochimica e del materiale. Questa equazione mostra che per ottenere una velocità di reazione più elevata (maggiore densità di corrente) è necessaria una sovratensione maggiore. L'obiettivo principale nella progettazione di sistemi elettrochimici efficienti è ridurre al minimo il sovrapotenziale, cosa che in genere si ottiene utilizzando elettrocatalizzatori (materiali che abbassano l'energia di attivazione), aumentando la temperatura di esercizio o ottimizzando la struttura dell'elettrodo per migliorare il trasporto di massa.

UNESCO Nomenclature: 2406
- Elettrochimica

Tipo

Fenomeno fisico

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Equazione di Nernst che descrive i potenziali di equilibrio degli elettrodi
  • Equazione di Arrhenius che collega la velocità di reazione all'energia di attivazione
  • sviluppo del concetto di cinetica chimica
  • Le leggi di Faraday sull'elettrolisi

Applicazioni

  • progettazione di elettrolizzatori industriali efficienti (ad esempio, per la produzione di idrogeno)
  • sviluppo di catalizzatori migliori per ridurre la perdita di energia nelle celle a combustibile
  • comprendere e prevenire la corrosione
  • migliorare le prestazioni delle batterie durante la ricarica
  • ottimizzazione dei processi di galvanica per rivestimenti uniformi

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Contesto storico

Sovratensione (chimica)

1800-05-02
1880
1900
1910
1921
1930
1930
1800
1834-01-01
1880
1902
1920
1928
1930
1940

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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