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Electroquímica bipolar

concepto de electroquímica bipolar La electroquímica bipolar es un fenómeno electroquímico basado en la polarización de objetos conductores en campos eléctricos . De hecho, esta...

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concepto de electroquímica bipolar

La electroquímica bipolar es un fenómeno electroquímico basado en la polarización de objetos conductores en campos eléctricos . De hecho, esta polarización genera una diferencia de potencial entre los dos extremos del sustrato igual al valor del campo eléctrico multiplicado por el tamaño del objeto. Si esta diferencia de potencial es suficientemente grande, se pueden generar reacciones redox en los extremos del objeto; las oxidaciones ocurrirán en un extremo acopladas simultáneamente a las reducciones en el otro. [ 1 ] [ 2 ] En un montaje experimental simple que consiste en un alambre de platino en una cápsula de pesaje que contiene una solución indicadora de pH , un voltaje de 30 V entre dos electrodos provocará la reducción del agua en un extremo del alambre (el cátodo) y un aumento del pH (formación de OH − ), y la oxidación del agua en el extremo anódico y una disminución del pH. Los polos del electrodo bipolar también se alinean con el campo eléctrico aplicado. [ 3 ]

Fundamentos

Cuando se coloca un electrodo conductor de electricidad sin conexión directa, en el mismo electrolito, entre un ánodo y un cátodo en una celda electroquímica con la tensión suficiente aplicada, el electrodo experimentará una reacción catódica y anódica simultánea en ambos extremos. Esto significa que el electrodo conductor se convertirá en un electrodo bipolar (BPE); un material conductor de electricidad en contacto con un electrolito conductor de iones sin conexión electrónica directa con la fuente de alimentación, que promueve reacciones electroquímicas (reducción y oxidación) en ambos extremos (polos); lo que significa que es un cátodo y un ánodo al mismo tiempo. [ 4 ] [ 5 ] Esto ocurre debido a:

Caso (A)

gradiente de potencial BPE

La diferencia de potencial (η) entre el electrodo conductor (V m ) y el electrolito (V s ) causa un gradiente de potencial que se distribuye lateralmente a través de la interfaz BPE-electrolito, con un extremo que tiene el potencial más alto (ánodo +η) y el otro extremo que tiene el potencial más bajo (cátodo -η). [ 5 ] En comparación con el gradiente/caída de potencial del electrolito (V s ), el potencial del electrodo (V m ) no cambia entre los polos del BPE, esto se debe a la alta conductividad de los electrodos, que es superior a 10 6 S/m para la mayoría de las aleaciones de acero, en comparación con la conductividad de la solución en el rango de 5,5 μS/m para agua ionizada y 5 S/m para agua de mar . [ 5 ]

Caso (B)

Corriente parásita inducida

La corriente fluye en el BPE porque ofrece una trayectoria de corriente menos resistiva que el electrolito. Como se ilustra en la figura, como consecuencia de la corriente que entra por el lado (D/Azul) desde el ánodo, el lado D se polarizará catódicamente (el potencial se volverá más negativo). Por otro lado, el lado (B/Rojo), por donde sale la corriente, se polarizará anódicamente (el potencial se volverá más positivo) y se corroerá. Esto se debe a la polarización que ocurre en sentido opuesto a la dirección de la corriente. [ 6 ]

Esta teoría es prácticamente aceptada en todos los libros clásicos [ 7 ] y recientes sobre protección catódica, [ 8 ] y en las publicaciones y normas NACE , [ 9 ] como explicación de la corrosión y el desprendimiento de recubrimientos causados ​​por la interferencia de CC entre tuberías y diferentes estructuras (por ejemplo, estructuras protegidas o no protegidas catódicamente, ferrocarriles y HVDC ). Esto se debe a que es más adecuada para estructuras a gran escala en entornos heterogéneos y altamente resistivos donde el potencial de solución (V s ) juega un papel menos crucial y las reacciones se concentran principalmente solo en los polos (por donde entra y sale la corriente). [ 7 ]

Caso (C)

La diferencia de potencial en cada polo del BPE (que puede o no ser suficiente para las reacciones electroquímicas). [ 4 ]

Cabe señalar que el potencial de la solución no se controla directamente mediante una fuente de alimentación (por ejemplo, un potenciostato ), ya que también depende de la composición de la solución. Por lo tanto, para que los electrones se transfieran a las especies reductoras en la solución, el potencial del electrodo de trabajo debe ajustarse a un valor más negativo que el de una molécula electroactiva en la solución, y entonces, dependiendo de la cinética, los electrones pueden transferirse. De manera similar, ocurren las reacciones de oxidación. [ 4 ] Asimismo, según la ley de Ohm , el campo eléctrico y el potencial de la solución (V s ) aumentarán con el incremento de la resistividad de la solución y la corriente aplicada en el circuito externo. [ 6 ]

Muestra de acero inoxidable 420 en configuración bipolar en solución de NaCl 0,1 M. Consulte los archivos: Bipolar Cell, Side.png y Bipolar Cell, top.png para ver el dibujo de la configuración [ 6 ].

Utilizaciones

El fenómeno de la electroquímica bipolar se conoce desde la década de 1970 [ 10 ] y se utiliza en la industria en algunos reactores electrolíticos. El interés de la comunidad científica por este concepto parece haber aumentado mucho desde que Martin Fleischmann y sus colaboradores demostraron que la división del agua era posible utilizando electrodos bipolares de tamaño micrométrico. [ 11 ] Recientemente, se han desarrollado varias aplicaciones en dominios tales como la síntesis de micro- y nanoestructuras disimétricas [ 12 ] [ 13 ] química analítica [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] ciencia de los materiales, [ 17 ] [ 6 ] microelectrónica [ 18 ] y propulsión de microobjetos [ 19 ] [ 20 ] .

Referencias

  1. ↑ G. Loget; A. Kuhn (2011). "Dando forma y explorando el micro y nanomundo usando electroquímica bipolar". Analytical and Bioanalytical Chemistry . 400 (6): 1691– 704. doi : 10.1007/s00216-011-4862-1 . PMID 21455656 . S2CID 44000438 .  
  2. ↑ F. Mavré; RK Anand; DR Laws; K.-F. Chow; B.-Y. Chang; JA Crooks; RM Crooks (2010). "Electrodos bipolares con características: una herramienta útil para la concentración, separación y detección de analitos en sistemas microelectroquímicos". Anal. Chem. 82 (21): 8766– 74. doi : 10.1021/ac101262v . PMID 20815405 . 
  3. ↑ Fosdick, SE; Knust, KN; Scida, K.; Crooks, RM (2013). "Electroquímica bipolar". Angew. Chem. Int. Ed . 52 (40): 10438– 10456. doi : 10.1002/anie.201300947 . PMID 23843205 . 
  4. 1 2 3 Mavré, François; Anand, Robbyn K.; Laws, Derek R.; Chow, Kwok-Fan; Chang, Byoung-Yong; Crooks, John A.; Crooks, Richard M. (2010-09-03). "Electrodos bipolares: una herramienta útil para la concentración, separación y detección de analitos en sistemas microelectroquímicos" . Analytical Chemistry . 82 (21): 8766– 8774. doi : 10.1021/ac101262v . ISSN 0003-2700 . PMID 20815405 .  
  5. 1 2 3 Ulrich, cristiano; Andersson, Olof; Nyholm, Leif; Björefors, Fredrik (7 de abril de 2008). "Formación de gradientes moleculares en electrodos bipolares" . Angewandte Chemie . 120 (16): 3076– 3078. Bibcode : 2008AngCh.120.3076U . doi : 10.1002/ange.200705824 . ISSN 0044-8249 . 
  6. 1 2 3 4 Abdalrhaman, Mohamed Koko (2017). Aplicación de la electroquímica bipolar para la detección de corrosión del acero inoxidable tipo 420 en solución de cloruro de sodio (tesis de maestría). Laboratorio Nacional de Física. doi : 10.13140/RG.2.2.31999.71845 .
  7. 1 2 Bohnes, H.; Richter, B. (1997), "Protección catódica de buques" , Manual de protección catódica contra la corrosión , Elsevier, págs. 391–414 , doi : 10.1016/b978-088415056-5/50024-1 , ISBN  978-0-88415-056-5, consultado el 12 de febrero de 2023
  8. ↑ Ahmad, Zaki (2006), "Prevención de la corrosión mediante el diseño" , Principios de ingeniería de la corrosión y control de la corrosión , Elsevier, pp. 438–478 , doi : 10.1016/b978-075065924-6/50009-x , ISBN  978-0-7506-5924-6, consultado el 12 de febrero de 2023
  9. ^ Winston., Revisión, R. (2011). Manual de corrosión de Uhlig . Wiley. ISBN 978-1-118-11003-4OCLC 927504000 .​ {{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ↑ Goodridge, F.; King, CJH; Wright, AR (1977-04-01). "El comportamiento de los electrodos bipolares de lecho empacado" . Electrochimica Acta . 22 (4): 347– 352. doi : 10.1016/0013-4686(77)85085-8 . ISSN 0013-4686 . 
  11. ↑ M. Fleischmann; J. Ghoroghchian; D. Rolison; S. Pons (1986). "Comportamiento electroquímico de dispersiones de ultramicroelectrodos esféricos" . J. Phys. Chem. 90 (23): 6392. doi : 10.1021/j100281a065 . Archivado del original el 23 de septiembre de 2017.
  12. ↑ G. Loget; V. Lapeyre; P. Garrigue; C. Warakulwit; J. Limtrakul; M.-H. Delville; A. Kuhn (2011). "Procedimiento versátil para la síntesis de tubos de carbono tipo Janus". Chem. Mater. 23 (10): 2595. doi : 10.1021/cm2001573 .
  13. ↑ C. Warakulwit; T. Nguyen; J. Majimel; M.-H. Delville; V. Lapeyre; P. Garrigue; V.Ravaine; J. Limtrakul; A. Kuhn (2008). "Nanotubos de carbono disimétricos por electroquímica bipolar". Nano Lett. 8 (2): 500– 4. Código Bib : 2008NanoL...8..500W . doi : 10.1021/nl072652s . PMID 18189438 . 
  14. ↑ K.-F. Chow; B.-Y. Chang; BA Zaccheo; F. Mavré; RM Crooks (2010). "Una plataforma de detección basada en la electrodisolución de un electrodo bipolar de Ag". J. Am. Chem. Soc. 132 (27): 9228– 9229. doi : 10.1021/ja103715u . PMID 20557051 . 
  15. ↑ Hlushkou D, Perdue RK, Dhopeshwarkar R, Crooks RM, Tallarek U (2009). "Enfoque de gradiente de campo eléctrico en microcanales con electrodo bipolar integrado". Lab Chip . 9 (13): 1903– 1913. doi : 10.1039/b822404h . PMID 19532966 . 
  16. ↑ Ulrich C, Andersson O, Nyholm L, Björefors F (2009). "Distribuciones de densidad de potencial y corriente en electrodos destinados a la formación de patrones bipolares". Anal. Chem. 81 (1): 453– 459. doi : 10.1021/ac801871c . PMID 19125451 . 
  17. ↑ Ramakrishnan S, Shannon C (2010). "Visualización de materiales de estado sólido mediante electroquímica bipolar". Langmuir . 26 (7): 4602– 4606. doi : 10.1021/la100292u . PMID 20229995 . 
  18. ↑ JC Bradley; HM Chen; J. Crawford; J. Eckert; K. Ernazarova; T. Kurzeja; M. Lin; M. McGee; W. Nadler; SG Stephens (1997). "Creación de contactos eléctricos entre partículas metálicas mediante crecimiento electroquímico dirigido". Nature . 389 (6648): 268. Bibcode : 1997Natur.389..268B . doi : 10.1038/38464 . S2CID 4329476 . 
  19. ↑ G. Loget; A. Kuhn (2010). "Propulsión de microobjetos mediante autorregeneración bipolar dinámica". J. Am. Chem. Soc. 132 (45): 15918– 9. doi : 10.1021/ja107644x . PMID 20964295 . 
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