Sprawność Faradaya

W elektrochemii wydajność Faradaya (zwana także wydajnością faradajską , wydajnością faradajską , wydajnością kulombowską lub wydajnością prądową ) opisuje wydajność, z jaką przenoszony jest ładunek ( elektrony ) w układzie ułatwiającym reakcję elektrochemiczną . Słowo „Faraday” w tym określeniu ma dwa powiązane ze sobą aspekty: po pierwsze, historyczną jednostką ładunku jest faraday ( F), ale od tego czasu został zastąpiony przez kulomb (C); a po drugie, powiązana stała Faradaya ( F ) koreluje ładunek z molami materii i elektronami ( ilość substancji ). Zjawisko to zostało pierwotnie zrozumiane dzięki pracy Michaela Faradaya i wyrażone w jego prawach elektrolizy .

Źródła utraty faradajskiej

Straty faradaiczne występują zarówno w ogniwach elektrolitycznych , jak i galwanicznych , gdy elektrony lub jony biorą udział w niepożądanych reakcjach ubocznych. Straty te pojawiają się jako ciepło i/lub chemiczne produkty uboczne.

Przykład można znaleźć w utlenianiu wody do tlenu na elektrodzie dodatniej w elektrolizie. Niektóre elektrony są kierowane do produkcji nadtlenku wodoru . Frakcja elektronów tak przekierowanych reprezentuje stratę faradajską i zmienia się w różnych aparatach.

Nawet jeśli wytwarzane są odpowiednie produkty elektrolizy, straty mogą nadal wystąpić, jeśli produkty zostaną ponownie połączone. Podczas elektrolizy wody pożądane produkty ( H ₂ i O ₂ ) mogą ponownie łączyć się, tworząc wodę . To realistycznie mogłoby się zdarzyć w obecności materiałów katalitycznych, takich jak platyna lub pallad, powszechnie stosowanych jako elektrody. Brak uwzględnienia tego efektu wydajności Faradaya został zidentyfikowany jako przyczyna błędnej identyfikacji pozytywnych wyników w eksperymentach z zimną syntezą jądrową .

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów stanowią kolejny przykład strat faradaicznych, gdy niektóre elektrony oddzielone od wodoru na anodzie przechodzą przez membranę i docierają bezpośrednio do katody , zamiast przechodzić przez ładunek i wykonywać użyteczną pracę . Idealnie byłoby, gdyby membrana elektrolityczna była doskonałym izolatorem i zapobiegała temu.

Szczególnie znanym przykładem strat faradaicznych jest samorozładowanie , które ogranicza trwałość baterii.

Metody pomiaru strat faradaicznych

Wydajność faradaicka projektu ogniwa jest zwykle mierzona za pomocą elektrolizy masowej, w której znana ilość odczynnika jest stechiometrycznie przekształcana w produkt, mierzony przepływającym prądem. Wynik ten porównuje się następnie z zaobserwowaną ilością produktu zmierzoną inną metodą analityczną.

Straty faradajowskie a napięcie i efektywność energetyczna

Strata faradajska jest tylko jedną z form utraty energii w układzie elektrochemicznym. Innym jest nadpotencjał , różnica między teoretycznym a rzeczywistym napięciem elektrody potrzebnym do napędzania reakcji z pożądaną szybkością. Nawet akumulator o 100% wydajności faradaicznej wymaga ładowania wyższym napięciem niż wytwarzane podczas rozładowania, więc jego ogólna wydajność energetyczna jest iloczynem wydajności napięciowej i wydajności faradaicznej. Sprawność napięciowa poniżej 100% odzwierciedla termodynamiczną nieodwracalność każdej rzeczywistej reakcji chemicznej.