Faraday effektivitet

Inom elektrokemi beskriver Faraday effektivitet (även kallad faradaisk effektivitet , faradaisk avkastning , coulombisk effektivitet eller strömeffektivitet ) effektiviteten med vilken laddning ( elektroner ) överförs i ett system som underlättar en elektrokemisk reaktion . Ordet "Faraday" i denna term har två inbördes relaterade aspekter: för det första är den historiska enheten för laddning faradagen (F), men har sedan ersatts av coulomb (C); och för det andra korrelerar den relaterade Faradays konstant ( F ) laddning med mol materia och elektroner ( mängd substans) . Detta fenomen förstods ursprungligen genom Michael Faradays arbete och uttrycktes i hans elektrolyslagar .

Källor till faradaisk förlust

Faradaiska förluster upplevs av både elektrolytiska och galvaniska celler när elektroner eller joner deltar i oönskade sidoreaktioner. Dessa förluster uppträder som värme och/eller kemiska biprodukter.

Ett exempel kan hittas i oxidation av vatten till syre vid den positiva elektroden vid elektrolys. Vissa elektroner avleds till produktion av väteperoxid . Den andel av elektroner som så avleds representerar en faradaisk förlust och varierar i olika apparater.

Även när de rätta elektrolysprodukterna produceras kan förluster fortfarande uppstå om produkterna tillåts att kombineras igen. Under vattenelektrolys kan de önskade produkterna ( H ₂ och O _{2 ) kombineras igen och bilda} vatten . Detta skulle realistiskt kunna hända i närvaro av katalytiska material som platina eller palladium som vanligtvis används som elektroder. Underlåtenhet att ta hänsyn till denna Faraday-effektivitetseffekt har identifierats som orsaken till felaktig identifiering av positiva resultat i kallfusionsexperiment .

Protonbytesmembranbränsleceller ger ett annat exempel på faradaiska förluster när några av elektronerna som separeras från väte vid anoden läcker genom membranet och når katoden direkt istället för att passera genom lasten och utföra användbart arbete . Helst skulle elektrolytmembranet vara en perfekt isolator och förhindra detta från att hända.

Ett särskilt välbekant exempel på faradaisk förlust är självurladdningen som begränsar batteriets hållbarhet.

Metoder för att mäta faradaisk förlust

Faradaisk effektivitet hos en celldesign mäts vanligtvis genom bulkelektrolys där en känd mängd reagens omvandlas stökiometriskt till produkt, mätt med den passerade strömmen. Detta resultat jämförs sedan med den observerade mängden produkt mätt med en annan analysmetod.

Faradaisk förlust vs. spänning och energieffektivitet

Faradaisk förlust är bara en form av energiförlust i ett elektrokemiskt system. En annan är överpotential , skillnaden mellan den teoretiska och faktiska elektrodspänningen som behövs för att driva reaktionen med önskad hastighet. Även ett uppladdningsbart batteri med 100 % faradaisk effektivitet kräver laddning med en högre spänning än vad det producerar under urladdning, så dess totala energieffektivitet är produkten av spänningseffektivitet och faradaisk effektivitet. Spänningseffektivitet under 100 % återspeglar den termodynamiska irreversibiliteten för varje verklig kemisk reaktion.