• 1.摘要
  • 2.质量传递的控制
  • 3.极限情况

巴特勒-福尔默方程

巴特勒–褔尔默方程(英语:Butler–Volmer equation),也称为埃尔第-格鲁兹–福尔默方程(Erdey-Grúz–Volmer equation),是电化学领域的一个最基本的动力学关系。它描述了电极上的电流如何随电极电势变化,考虑到阴极方向(cathodic)和阳极方向(anodic)的反应会出现在同一个电极上:

image

或者更紧凑地写为:

image

其中:

image:电极的电流密度,A/m2(定义为 i = I/A )

image:交换电流密度,A/m2

image:电极电势,V

image:平衡态电势,V

image:热力学温度,K

image:该电极反应中涉及的电子数目

image:法拉第常数

image:气体常数

image:正极(阴极)方向电荷传递系数,无量纲

image:负极(阳极)方向电荷传递系数,无量纲

image:活化过电位(定义为 image )。

右边的图展示了image的情况。

该方程的名字是为了纪念化学家约翰·阿尔弗雷德·瓦伦丁·巴特勒和马克斯·褔尔默。

质量传递的控制

当某个电极反应是被该电极的电荷传递(而不是被电极表面与主体电解质之间的质量传递)控制时,以上的巴特勒-褔尔默公式的形式是有效的。尽管如此,巴特勒-褔尔默公式在电化学中的使用十分广泛,并且常常被认为是“电极动力学现象的核心”。

在电流接近极限的区间,也即电极反应过程受质量传递(传质)控制时,电流密度的值为:

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其中:

Deff 是有效扩散系数(已考虑可能存在的迂曲度);

δ 是扩散层的厚度(扩散距离);

C* 是电活性物质(限制反应速率的物质)在电解质主体体积的浓度。

更一般地,考虑质量传递的影响,Butler-Volmer方程可以写成:

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其中

i 是电流密度,A/m2,

Co 和 Cr 分别是待氧化和待还原的物质的浓度,

C(0,t)是依赖于时间的浓度,与表面零距离。

上述的形式被简化为传统(本文顶部的)形式,当活性物质的表面浓度和主体体积浓度相等时。

极限情况

在两种极限情况下,巴特勒-褔尔默公式有如下形式:

低过电势区间(即当 E≈Eeq 时;此时称为“极化电阻”),巴特勒-褔尔默公式简化为:

image;