Efisiensi arus dalam reaktor elektrokimia

Selain hukum Faraday, parameter penting lain yang menyumbang efisiensi faraday, yang merupakan ukuran kinerja kunci reaktor elektrolisa industri, adalah efisiensi arus. Sedikit berbeda dengan efisiensi faraday, efisensi arus didefinisikan sebagai

(1)

Reaksi samping yang tidak diinginkan menurunkan efisiensi arus. Konsep ini dapat dieksplorasi dengan proses pengisian baterai asam-timbal. Dua reaksi pada elektroda positif adalah mungkin. Reaksi pertama adalah reaksi oksidasi padatan timbal sulfat yang diinginkan:

PbSO₄ + 2H₂O —> PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^– (E^o = 1,685 V)

Reaksi kedua, tidak diinginkan, adalah pelepasan oksigen:

2H₂O —> O₂ + 4H⁺ + 4e^– (E^o = 1,229 V)

Jika arus tertentu digunakan untuk mengisi sel, berapa fraksi elektron yang dihasilkan dari reaksi yang diinginkan? Jawaban untuk pertanyaan ini ditentukan dengan kinetika elektroda. Perhatikan bahwa potensial kesetimbangan untuk elektroda positif sel asam-timbal adalah lebih besar daripada 0,4 V, lebih tinggi daripada reaksi oksigen. Jadi, overpotensial untuk reaksi oksigen dapat diharapkan jauh lebih besar.

Hitung efisiensi arus untuk elektroda positif selama pengisian sel asam-timbal. Pada titik tertentu dalam proses pengisian, overpotensial untuk oksidasi timbal adalah 0,05 V, dan overpotensial reaksi pelepasan oksigen adalah 0,6 V. Gunakan kinetika Butler-Volmer untuk reaksi dengan timbal.

Parameter kinetika

Asam timbal (1) – Butler-Volmer

a_a = 1,0; a_c = 1,0; i_o = 1 A m^-1; h_s,1 = 0,05 (Catatan: a baca alfa; h baca eta)

Pelepasan oksigen (2) – Tafel

a_a = 0,5; i_o = 2 x 10^-6 A m^-2; h_s,2 = 0,60 V

Jadi, 3% dari arus pergi ke arah pelepasan oksigen daripada mengisi ulang baterai. Keberhasilan baterai ini mengandalkan pada kinetika yang sangat lambat untuk pelepasan oksigen.

Ilustrasi 1

Karena efisiensi arus tidak 100%, lebih banyak arus dan dengan demikian lebih banyak energi harus digunakan untuk mengisi baterai pada titik yang sama. Juga, ingat bahwa efisiensi arus sebagaimana didefinisikan berlaku untuk satu elektroda. Efisiensi arus untuk elektroda negatif baterai yang sama akan berbeda. Di sini, reaksi samping yang tidak diinginkan adalah pelepasan hidrogen. Karena perbedaan koefisien perpindahan, dan ketergantungan terhadap suhu berbeda, efisiensi arus dapat berubah dengan polarisasi.

Pada umumnya, efisiensi arus dan beberapa varian akan digunakan untuk analisis sistem elektrokimia yang berbeda. Fokusnya bisa pada elektroda, sel atau bahkan sistem keseluruhan. Sebagai akibatnya, modifikasi atau bahkan tambahan definisi baru diperlukan. Sebagai contoh, pandang elektrolisa air untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen. Meskipun efisiensi arus kedua elektroda adalah satu, sebagian oksigen dan hidrogen mungkin bergabung lagi dalam sel dan kembali ke air. Proses ini jelas tidak diinginkan dan mewakili kerugian yang tidak tertangkap oleh efisiensi arus yang didefinisikan. Sifat ketidakefisienan adalah bukan elektrokinetika dan akan dibahas dalam kesempatan lain.