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Sobrepotencial (química)

1910
  • Julius Tafel
Industrial electrolyzer setup illustrating overpotential in electrochemistry.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A sobretensão é a diferença de potencial (voltagem) entre o potencial de redução termodinamicamente determinado de uma semirreação e o potencial no qual o evento redox é observado experimentalmente. Ela representa a energia extra necessária para superar as barreiras de ativação para que a reação no eletrodo ocorra a uma taxa significativa. É um fator chave na eficiência energética de todos os processos eletrolíticos.

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.

A relação entre a densidade de corrente (j) e a sobretensão de ativação é frequentemente descrita pela equação de Tafel: [latex]eta = a + b log(j)[/latex], onde ‘a’ e ‘b’ são constantes (parâmetros de Tafel) específicas da reação e do material do eletrodo. Esta equação mostra que, para se obter uma taxa de reação mais alta (densidade de corrente mais alta), é necessária uma sobretensão maior. O principal objetivo no projeto de sistemas eletroquímicos eficientes é minimizar a sobretensão, o que normalmente é alcançado pelo uso de eletrocatalisadores (materiais que reduzem a energia de ativação), pelo aumento da temperatura de operação ou pela otimização da estrutura do eletrodo para melhorar o transporte de massa.

UNESCO Nomenclature: 2406
Eletroquímica

Tipo

Fenômeno físico

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Nernst equation describing equilibrium electrode potentials
  • Equação de Arrhenius que relaciona a velocidade da reação com a energia de ativação.
  • desenvolvimento do conceito de cinética química
  • Leis de Faraday da eletrólise

Aplicações

  • Projetar eletrolisadores industriais eficientes (por exemplo, para produção de hidrogênio)
  • Desenvolver catalisadores melhores para reduzir a perda de energia em células a combustível.
  • Entendendo e prevenindo a corrosão
  • Melhorar o desempenho das baterias durante o carregamento.
  • Otimização dos processos de galvanoplastia para revestimentos uniformes

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: sobrepotencial, eletrólise, eletroquímica, equação de Tafel, energia de ativação, eficiência de voltagem, eletrocatálise, densidade de corrente.

Contexto histórico

Sobrepotencial (química)

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

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