一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法及系统

1.本发明涉及电极传质能力测定技术领域，特别是涉及一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法及系统。


背景技术：

2.与平板电极相比，孔隙电极能提供更大的比表面积，从而提高反应速率，改善电子传输能力。但是不同孔隙电极的表面结构和催化性能都不相同，孔隙电极的催化能力由电极表面结构和催化性能共同决定。如果一个孔隙电极的传质能力差，即使电极材料本身具有很强的催化活性，最终也不能获得很好的催化效果。因此，判断孔隙电极的传质能力就显得尤为重要(若由于材料本身结构造成的催化活性低，就不用寻找新材料，只需要改变现有材料的几何结构即可，节省大量的人力物力)，但是如何判断孔隙电极的传质能力是一个难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法及系统，能够准确确定孔隙电极有效扩散系数，进而测定孔隙电极的传质能力。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法，包括：
6.计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解；所述孔隙旋转圆盘电极几何模型包括孔隙旋转圆盘电极几何结构以及相关参数；所述孔隙旋转圆盘电极几何结构包括烧杯、设置在所述烧杯内部的反应物溶液、设置在所述烧杯内部的孔隙旋转圆盘电极以及设置在所述孔隙旋转圆盘电极上方处的边界层；其中，所述孔隙旋转圆盘电极的下方是吸附层，所述吸附层的下方设置有吸附过程，所述吸附层的上方设置有电化学反应过程；所述相关参数包括反应物在反应物溶液中的扩散系数和反应物在边界层内的扩散系数；
7.根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定不同转速下的模拟电流曲线；
8.将第一差值与第一区间进行比较；所述第一差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的间距与实验电流曲线对应的极限扩散电流的间距的差值；
9.当所述第一差值大于所述第一区间的最大值时，降低所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第一差值小于所述第一区间的最小值时，升高所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第一差值在所述第一区间内时，将第二差值与第二区间进行比较；所述第二差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的值与所述实验电流曲线对应的极限扩散电流的值的差值；
10.当所述第二差值大于所述第二区间的最大值时，降低所述反应物在边界层内的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第二差值小于所述第二区间的最小值时，升高所述反应物在边界层内的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第二差值在所述第二区间内时，根据所述模拟电流曲线对应的反应物在边界层内的扩散系数，确定孔隙电极有效扩散系数。
11.可选的，所述实验电流曲线的确定过程为：
12.将孔隙材料制备成孔隙旋转圆盘电极；
13.在不同转速下，对所述孔隙旋转圆盘电极进行多组旋转圆盘电极电化学实验，得到不同转速下的实验电流曲线；其中，进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的转速与所述孔隙旋转圆盘电极几何模型模拟时的转速相同。
14.可选的，所述计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解，具体包括：
15.基于所述旋转圆盘电极电化学实验，构建孔隙旋转圆盘电极几何结构；
16.设置相关参数；所述相关参数包括：反应物溶液粘度、反应物溶液浓度、反应物在反应物溶液中的扩散系数、反应物在边界层内的扩散系数、反应指前因子、传递系数、吸附速率、孔隙旋转圆盘电极转速、雷诺数和边界条件；所述边界条件为孔隙旋转圆盘电极表面设置为无滑移壁面和烧杯四周壁面设置为固壁；
17.根据所述雷诺数确定速度场类型；
18.基于所述速度场类型和所述孔隙旋转圆盘电极几何模型，计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解。
19.可选的，所述雷诺数的计算过程：
20.根据进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的参数计算雷诺数；其中，当所述雷诺数大于设定阈值时所述速度场类型为湍流模型，所述雷诺数小于或者等于所述设定阈值时所述速度场类型为层流模型。
21.可选的，所述根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定不同转速下的模拟电流曲线，具体包括：
22.根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度；
23.根据所述反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和所述生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度，采用bulter-volmer模型，计算不同时刻孔隙旋转圆盘电极表面生成的瞬时电流；
24.对不同时刻的所述瞬时电流进行积分处理，得到不同转速下的模拟电流曲线模拟电流曲线。
25.一种孔隙电极有效扩散系数的确定系统，包括：
26.速度场模拟解计算模块，用于计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解；所述孔隙旋转圆盘电极几何模型包括孔隙旋转圆盘电极几何结构以及相关参数；所述孔隙旋转圆盘电极几何结构包括烧杯、设置在所述烧杯内部的反应物溶液、设置在所述烧杯内部的孔隙旋转圆盘电极以及设置在所述孔隙旋转圆盘电极上方处的边界层；
其中，所述孔隙旋转圆盘电极的下方是吸附层，所述吸附层的下方设置有吸附过程，所述吸附层的上方设置有电化学反应过程；所述相关参数包括反应物在反应物溶液中的扩散系数和反应物在边界层内的扩散系数；
27.模拟电流曲线确定模块，用于根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定不同转速下的模拟电流曲线；
28.比较模块，用于将第一差值与第一区间进行比较；所述第一差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的间距与实验电流曲线对应的极限扩散电流的间距的差值；
29.第一比较结果确定模块，用于：
30.当所述第一差值大于所述第一区间的最大值时，降低所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块；
31.当所述第一差值小于所述第一区间的最小值时，升高所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块；
32.当所述第一差值在所述第一区间内时，将第二差值与第二区间进行比较；所述第二差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的值与所述实验电流曲线对应的极限扩散电流的值的差值；
33.第二比较结果确定模块，用于：
34.当所述第二差值大于所述第二区间的最大值时，降低所述反应物在边界层内的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块；
35.当所述第二差值小于所述第二区间的最小值时，升高所述反应物在边界层内的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块；
36.当所述第二差值在所述第二区间内时，根据所述模拟电流曲线对应的反应物在边界层内的扩散系数，确定孔隙电极有效扩散系数。
37.可选的，还包括实验装置；所述实验装置，用于：
38.将孔隙材料制备成孔隙旋转圆盘电极；
39.在不同转速下，对所述孔隙旋转圆盘电极进行多组旋转圆盘电极电化学实验，得到不同转速下的实验电流曲线；其中，进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的转速与所述孔隙旋转圆盘电极几何模型模拟时的转速相同。
40.可选的，所述速度场模拟解计算模块，具体包括：
41.孔隙旋转圆盘电极几何模型构建单元，用于：
42.基于所述旋转圆盘电极电化学实验，构建孔隙旋转圆盘电极几何结构；
43.设置相关参数；所述相关参数包括：反应物溶液粘度、反应物溶液浓度、反应物在反应物溶液中的扩散系数、反应物在边界层内的扩散系数、反应指前因子、传递系数、吸附速率、孔隙旋转圆盘电极转速、雷诺数和边界条件；所述边界条件为孔隙旋转圆盘电极表面设置为无滑移壁面和烧杯四周壁面设置为固壁；
44.速度场类型确定单元，用于根据所述雷诺数确定速度场类型；
45.速度场模拟解计算单元，用于基于所述速度场类型和所述孔隙旋转圆盘电极几何模型，计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解。
46.可选的，在所述速度场类型确定单元，所述雷诺数的计算过程：
47.根据进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的参数计算雷诺数；其中，当所述雷诺数大于设定阈值时所述速度场类型为湍流模型，所述雷诺数小于或者等于所述设定阈值时所述速度场类型为层流模型。
48.可选的，所述模拟电流曲线确定模块，具体包括：
49.浓度梯度计算单元，用于根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度；
50.瞬时电流生成单元，用于根据所述反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和所述生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度，采用bulter-volmer模型，计算不同时刻孔隙旋转圆盘电极表面生成的瞬时电流；
51.模拟电流曲线确定单元，用于对不同时刻的所述瞬时电流进行积分处理，得到不同转速下的模拟电流曲线模拟电流曲线。
52.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
53.一是，边界层的提出，使得多孔结构的特征可以使用等效扩散系数来表示，使得探求孔隙结构的传质能力时，不再局限于经验公式，而是能充分与实验结果相结合，提高孔隙电极有效扩散系数计算准确率。
54.二是，全局数值解，可以模拟整个孔隙旋转圆盘电极中的速度场、浓度场以及电流曲线，而不必使用近似的解析解，进一步提高孔隙电极有效扩散系数计算准确率。
附图说明
55.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
56.图1为本发明旋转圆盘电极的几何结构示意图；
57.图2为本发明一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法的流程示意图；
58.图3为本发明一种孔隙电极有效扩散系数的确定系统的结构示意图；
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.旋转圆盘电极可以有效地消除浓差极化，更准确地测量本征反应速率，故将孔隙电极制备成孔隙旋转圆盘电极(porous rotating disk electrode，prde)，可以有效的对孔隙电极进行电化学表征。
61.在此基础上，本发明通过有限元方法，构建全局反应过程，拟合电流曲线，得到孔隙旋转圆盘电极的有效扩散系数，以此来判断不同孔隙电极材料的传质能力。
62.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
63.为了研究电极表面电流密度的分布情况、减少或消除扩散层等因素的影响，电化学研究人员通过对比各种电极和搅拌方式，开发出了一种高速旋转的电极，由于这种电极的端面像一个盘，所以也叫旋转圆盘电极(rotating disk electrode，rde)，简称旋盘电极或者转盘电极。旋转圆盘电极的几何结构如图1所示。图1中r1和h1分别表示电极转子的半径和浸没在溶液中的高度，r2和h2分别表示盛放反应物溶液的烧杯的半径和高度。
64.数学中，有限元法(fem，finite elementmethod)是一种为求解偏微分方程边值问题，得到近似解的技术。求解时，对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。在旋转圆盘电极模拟中，有限元法可以较好地计算流固耦合模型。
65.对旋转圆盘电极进行轴对称以及二维无限大距离传质假设简化，得到levich公式，i
l
＝0.62nfad
2/3
v-1/6
ω
1/2
cb。其中，参数i
l
，n、f、a、v、ω、d、cb分别是极限扩散电流、转移电子数、法拉第常数、旋转圆盘电极表面面积、反应物溶液粘度、旋转圆盘电极转速、反应物扩散系数及反应物溶液浓度。此公式可以近似估计旋转圆盘电极在不同转速下的极限扩散电流。在此假设前提下，极限扩散电流与旋转圆盘电极的转速的1/2次方成正比，但是此公式仅适用于转速中等的旋转圆盘电极，对于孔隙结构的极限扩散电流较难预测。
66.在bulter-volmer模型中，旋转圆盘电极表面生成的瞬时电流i的计算公式为：i＝fak0[co(0,t)e-αfη/rt-cr(0,t)e
(1-α)fη/rt
]。其中，f、a、k0、co(0,t)、cr(0,t)、α、η、r、t分别为法拉第常数、旋转圆盘电极表面面积、反应指前因子常数、t时刻电极表面反应物浓度、t时刻电极表面生成物浓度、传递系数、过电压、玻尔兹曼常数以及温度。由上述公式可以看出，随着过电压的不断升高，正向反应速率也会越来越快，生成的瞬时电流也会越来越大，但是旋转圆盘电极附近的反应物浓度也在不断下降，因此瞬时电流不会达到无限。
[0067]
雷诺数(reynolds number)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。在旋转圆盘电极中，雷诺数的计算公式为其中，ω，r，v分别为圆盘电极的转速、电极半径以及溶液的运动学粘度。雷诺数可以用来判定流场内是否有湍流运动产生，一般认为在雷诺数大于20000时旋转圆盘电极的流场会产生湍流。
[0068]
如今，比较不同孔隙结构传质能力的方法，都是经验公式，如下所示：
[0069][0070]
其中，d
e,j
是反应物在孔隙结构中的有效扩散系数，d
f,j
是反应物在溶液中的扩散系数，ε
p
是孔隙率，τ
f,j
是曲折系数。这个公式最大的难点在于曲折系数的判定。应用于孔隙电极时，主要是采取millington and quirk模型以及bruggeman模型，分别取τ
f,j
＝ε
p-1/3
以及τ
f,j
＝ε
p-1/2
。可见在探寻孔隙电极的有效扩散系数时，依然有改进的空间。
[0071]
虽然旋转圆盘电极能够有效消除浓差极化，被许多研究者广泛应用，但是旋转圆盘电极内的速度场的研究是基于vonkarman和cochran的解析解，该速度场的解是不随时间变换的，事实上，随着高速摄像机的发展，在旋转圆盘电极的速度场实验中发现，该速度场的解是非定常的，尤其在中心对称轴处，经常会发生流场的摆动。曾经学者认为提高转速就能够更好的克服传质限制，但是人们发现随着转速的逐渐升高，反应池内也会逐渐产生湍
流，反而限制了传质，这就使计算得到的解析解的速度场与真实的速度场存在一定的误差，并且解析解的适用性被限制在一定的范围内，不符合真实情况，且关于生成物和反应物的浓度场的分布，以及电极表面的反应方式人们也难以知晓。
[0072]
在旋转圆盘电极的表面，因为速度场分布的差异性，浓度场沿轴向的分布是不均匀的，但是在原本的解析解中，处理的方法是一维平面假设，即浓度场分布不随轴向变化，这与实际情况不符。另外在原本的解析解中，假设电极表面完全光滑，即在极高的过电压下反应物到达电极表面之后会被立刻消耗，这同样与许多真实的实验情况不符(实际情况中因为电极表面的不光滑，会造成电极表面反应物和生成物的表观扩散系数与其本征扩散系数不符的情况)。事实上，在某些领域中，人们反而追求材料的不平滑，如在孔隙催化问题中，孔隙材料具有更大的比表面积以及更多的反应位。人们在旋转圆盘电极的电流模拟时，尝试在电极表面设置零通量以解决反应物浓度和反应电流问题，但这些假设与实际情况仍有区别，且无法重现极化电流曲线，也难以对旋转圆盘电极的机理进行更深入的模拟和探究。
[0073]
综上，在旋转圆盘电极内，无论是速度场还是浓度场的计算都存在误差，而且难以重现完整、正确的电压-电流曲线。因此考虑采用全局数值解的方法，对旋转圆盘电极的整个电化学反应过程进行改进。
[0074]
孔隙电极制备成的孔隙旋转圆盘电极具有更大的比表面积。为了更好的分析孔隙旋转圆盘电极的c-v曲线，需要深入理解孔隙旋转圆盘电极传质和反应步骤。
[0075]
在有限元模拟中，最理想的情况是利用ct扫描得到电极材料的三维形貌，并进行三维建模，模拟反应物的吸附过程和反应过程。但是孔隙材料的微观尺度在微米级，而整个旋转圆盘电极的尺度为厘米级，建立整个模型需要极大的算力支撑，十分难以实现。
[0076]
本发明针对上述问题，采用有限元计算方法，求解旋转圆盘电极在二维轴对称情况下的稳态速度场，在此基础上采用孔隙边界扩散层模型，将吸附反应和电化学反应添加至电极表面，进而耦合求解不同转速下电极表面的生成电流。在关于生成电流的bulter-volmer方程，法拉第常数、电极表面面积、反应指前因子常数、传递系数、过电位、玻尔兹曼常数以及温度均可以通过查表或依据实验条件得到，但t时刻电极表面反应物浓度，t时刻电极表面生成物浓度则需要通过数值解得到。为了得到精确的随时间变化的电极表面的反应物浓度和生成物浓度，就必须求解对流-扩散方程。而想要精确的求解对流-扩散方程，就需要知道旋转圆盘电极的烧杯内的速度分布，即烧杯内每一个划分区域的速度，因此要求解navier-stokes方程。在边界扩散层区域内，物质传递的方式只有扩散，没有速度场的影响，因此只需求解对流-扩散方程，不用预先求解navier-stokes方程。
[0077]
模型可以较好地还原孔隙电极材料电化学实验获得的电流曲线。在还原电流曲线的过程中，需要设置反应物在烧杯内的扩散系数和反应物在孔隙电极扩散层结构内的等效扩散系数，比较孔隙电极扩散层结构的等效扩散系数，可以有效的比较不同结构的传质能力。
[0078]
实施例一
[0079]
本实施例提供了一种基于旋转圆盘数值模拟的孔隙电极有效扩散系数的确定方法，具体包括：
[0080]
(1)孔隙旋转圆盘电极制备；首先利用孔隙材料制备孔隙旋转圆盘电极，然后对孔
隙旋转圆盘电极进行不同转速下的旋转圆盘电极电化学实验(以下简称实际实验)，进而得到多组转速下的电流曲线。
[0081]
(2)孔隙旋转圆盘电极几何模型构建；根据实际实验所用的烧杯和转子(即孔隙旋转圆盘电极)，在有限元软件中重现与实际实验完全相同的几何模型；该几何模型包括烧杯、设置在烧杯内部的反应物溶液、设置在烧杯内部的孔隙旋转圆盘电极、设置在孔隙旋转圆盘电极上方处且高度为0.01mm边界区域(即边界层，又称为扩散层)。
[0082]
(3)材料属性赋值；根据实际实验采取的反应物溶液，设置有限元软件中的反应物溶液粘度和反应物溶液浓度。
[0083]
(4)电化学反应参数设置；依据实际实验，将孔隙旋转圆盘电极转速、反应物溶液粘度、反应物溶液浓度、电压扫描速率、反应物溶液中反应物的扩散系数、边界层内反应物的扩散系数、反应指前因子、传递系数、吸附过程的吸附速率等输入进入有限元软件中。其中，反应物溶液中反应物的扩散系数可以查表获得此范围。
[0084]
(5)根据实际实验的实际条件设置边界条件；将电极表面设置为无滑移壁面，该无滑移壁面的旋转速度为v＝ω*r，ω为电极转速，r为电极上的点到旋转中心的距离。电极的最下方是吸附层。吸附层的下方设置吸附过程，吸附层的上方设置反应物消耗，反应物消耗的速率等于bulter-volmer方程生成电流的速率，设置烧杯顶部为压力出口，将烧杯四周壁面设置为固壁。
[0085]
(6)流场计算；根据实际实验参数求得re雷诺数，如果雷诺数大于20000使用湍流模型，反之使用层流模型。使用有限元方法计算相应流场，求解navier-stokes方程和连续性方程，得到模拟的第一个转速下反应烧杯内的速度场的数值解。
[0086]
(7)求解多组转速流场：在求得了对应实际实验第一个转速条件下的反应烧杯内的速度场的数值解之后，在模拟软件中保持其他反应参数不变，仅改变电极转速，使其与(1)中的实验选取的转速一致，重复过程(6)，以获得不同转速下的模拟实验的反应烧杯内的速度场的数值解。
[0087]
(8)化学反应计算；有了速度场结果，就可以求解对流-扩散方程。以(7)的速度场的结果作为基础，使用有限元计算软件求解对流-扩散方程，得到反应物在电极表面的浓度梯度和生成物在电极表面的浓度梯度，然后依据bulter-volmer方程计算瞬时电流。
[0088]
(9)结果处理：对(8)的结果进行处理，将电极表面生成的电流进行积分，得到整个电极表面的电流，从而得到模拟的电流曲线。
[0089]
(10)将不同转速下的生成电流曲线与实验电流曲线进行比对，如果不同转速极限扩散电流之间的间距过宽，则需降低体溶液扩散系数，反之增加。在间距相等时，增加孔隙电极扩散层内的扩散系数，会使极限扩散电流整体升高，反之降低。依据这两个原则，重复过程(8)-(9)可以得到与(1)中实验电流完全一致的反应电流分布，即得到实验电极的孔隙电极扩散层内的扩散系数。
[0090]
(11)比较不同材料的孔隙电极扩散层内的扩散系数，即可得到不同孔隙材料的等效扩散系数。其中，有效扩散系数越高，材料的传质能力就越好。
[0091]
在本实施例中，具有以下创新之处：
[0092]
(1)边界层方法，以电极表面的孔隙电极扩散层替代孔隙电极的坑洼不平的表面，以边界层内有效扩散系数表征材料的传质能力。
[0093]
(2)全局数值解方法，耦合考虑了旋转圆盘电极的速度场、浓度场以及电极表面传质和电化学反应的过程，以此重现完整的旋转圆盘电极的电压电流曲线。
[0094]
其他需要声明的是：
[0095]
1.流场计算可以采取cfd、有限体积法。
[0096]
2.孔隙层的传质能力的概念可以采用孔隙率等其他关于量的描述。
[0097]
实施例二
[0098]
如图2所示，本实施例提供的一种孔隙电极有效扩散系数的确定方法，包括：
[0099]
步骤201：计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解；所述孔隙旋转圆盘电极几何模型包括孔隙旋转圆盘电极几何结构以及相关参数；所述孔隙旋转圆盘电极几何结构包括烧杯、设置在所述烧杯内部的反应物溶液、设置在所述烧杯内部的孔隙旋转圆盘电极以及设置在所述孔隙旋转圆盘电极上方处的边界层；其中，所述孔隙旋转圆盘电极的下方是吸附层，所述吸附层的下方设置有吸附过程，所述吸附层的上方设置有电化学反应过程；所述相关参数包括反应物在反应物溶液中的扩散系数和反应物在边界层内的扩散系数。
[0100]
步骤202：根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定不同转速下的模拟电流曲线。
[0101]
步骤203：将第一差值与第一区间进行比较；所述第一差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的间距与实验电流曲线对应的极限扩散电流的间距的差值。
[0102]
步骤204：当所述第一差值大于所述第一区间的最大值时，降低所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第一差值小于所述第一区间的最小值时，升高所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第一差值在所述第一区间内时，将第二差值与第二区间进行比较；所述第二差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的值与所述实验电流曲线对应的极限扩散电流的值的差值。
[0103]
步骤205：当所述第二差值大于所述第二区间的最大值时，降低所述反应物在边界层内的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第二差值小于所述第二区间的最小值时，升高所述反应物在边界层内的扩散系数，返回计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解步骤；当所述第二差值在所述第二区间内时，根据所述模拟电流曲线对应的反应物在边界层内的扩散系数，确定孔隙电极有效扩散系数。
[0104]
其中，在本实施例中，所述实验电流曲线的确定过程为：
[0105]
将孔隙材料制备成孔隙旋转圆盘电极。
[0106]
在不同转速下，对所述孔隙旋转圆盘电极进行多组旋转圆盘电极电化学实验，得到不同转速下的实验电流曲线。
[0107]
需要说明一点，进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的转速与所述孔隙旋转圆盘电极几何模型模拟时的转速相同。
[0108]
进一步地，步骤201具体包括：
[0109]
基于所述旋转圆盘电极电化学实验，构建孔隙旋转圆盘电极几何结构。
[0110]
设置相关参数；所述相关参数包括：反应物溶液粘度、反应物溶液浓度、反应物在反应物溶液中的扩散系数、反应物在边界层内的扩散系数、反应指前因子、传递系数、吸附速率、孔隙旋转圆盘电极转速、雷诺数和边界条件；所述边界条件为孔隙旋转圆盘电极表面设置为无滑移壁面和烧杯四周壁面设置为固壁。
[0111]
根据所述雷诺数确定速度场类型；所述雷诺数的计算过程：根据进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的参数计算雷诺数；其中，当所述雷诺数大于设定阈值时所述速度场类型为湍流模型，所述雷诺数小于或者等于所述设定阈值时所述速度场类型为层流模型。
[0112]
基于所述速度场类型和所述孔隙旋转圆盘电极几何模型，计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解。
[0113]
进一步地，步骤202具体包括：
[0114]
根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度。
[0115]
根据所述反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和所述生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度，采用bulter-volmer模型，计算不同时刻孔隙旋转圆盘电极表面生成的瞬时电流。
[0116]
对不同时刻的所述瞬时电流进行积分处理，得到不同转速下的模拟电流曲线模拟电流曲线。
[0117]
实施例三
[0118]
如图3所示，本实施例提供的一种孔隙电极有效扩散系数的确定系统，包括：
[0119]
速度场模拟解计算模块301，用于计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解；所述孔隙旋转圆盘电极几何模型包括孔隙旋转圆盘电极几何结构以及相关参数；所述孔隙旋转圆盘电极几何结构包括烧杯、设置在所述烧杯内部的反应物溶液、设置在所述烧杯内部的孔隙旋转圆盘电极以及设置在所述孔隙旋转圆盘电极上方处的边界层；其中，所述孔隙旋转圆盘电极的下方是吸附层，所述吸附层的下方设置有吸附过程，所述吸附层的上方设置有电化学反应过程；所述相关参数包括反应物在反应物溶液中的扩散系数和反应物在边界层内的扩散系数。
[0120]
模拟电流曲线确定模块302，用于根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定不同转速下的模拟电流曲线。
[0121]
比较模块303，用于将第一差值与第一区间进行比较；所述第一差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的间距与实验电流曲线对应的极限扩散电流的间距的差值。
[0122]
第一比较结果确定模块304，用于：
[0123]
当所述第一差值大于所述第一区间的最大值时，降低所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块。
[0124]
当所述第一差值小于所述第一区间的最小值时，升高所述反应物在反应物溶液中的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块。
[0125]
当所述第一差值在所述第一区间内时，将第二差值与第二区间进行比较；所述第
二差值为不同转速下的所述模拟电流曲线对应的极限扩散电流的值与所述实验电流曲线对应的极限扩散电流的值的差值。
[0126]
第二比较结果确定模块305，用于：
[0127]
当所述第二差值大于所述第二区间的最大值时，降低所述反应物在边界层内的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块。
[0128]
当所述第二差值小于所述第二区间的最小值时，升高所述反应物在边界层内的扩散系数，返回速度场模拟解计算模块。
[0129]
当所述第二差值在所述第二区间内时，根据所述模拟电流曲线对应的反应物在边界层内的扩散系数，确定孔隙电极有效扩散系数。
[0130]
进一步地，本实施例所述的系统还包括实验装置；所述实验装置，用于：
[0131]
将孔隙材料制备成孔隙旋转圆盘电极。
[0132]
在不同转速下，对所述孔隙旋转圆盘电极进行多组旋转圆盘电极电化学实验，得到不同转速下的实验电流曲线；其中，进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的转速与所述孔隙旋转圆盘电极几何模型模拟时的转速相同。
[0133]
其中，所述速度场模拟解计算模块301，具体包括：
[0134]
孔隙旋转圆盘电极几何模型构建单元，用于：
[0135]
基于所述旋转圆盘电极电化学实验，构建孔隙旋转圆盘电极几何结构；
[0136]
设置相关参数；所述相关参数包括：反应物溶液粘度、反应物溶液浓度、反应物在反应物溶液中的扩散系数、反应物在边界层内的扩散系数、反应指前因子、传递系数、吸附速率、孔隙旋转圆盘电极转速、雷诺数和边界条件；所述边界条件为孔隙旋转圆盘电极表面设置为无滑移壁面和烧杯四周壁面设置为固壁。
[0137]
速度场类型确定单元，用于根据所述雷诺数确定速度场类型；所述雷诺数的计算过程：根据进行所述旋转圆盘电极电化学实验时设置的参数计算雷诺数；其中，当所述雷诺数大于设定阈值时所述速度场类型为湍流模型，所述雷诺数小于或者等于所述设定阈值时所述速度场类型为层流模型。
[0138]
速度场模拟解计算单元，用于基于所述速度场类型和所述孔隙旋转圆盘电极几何模型，计算不同转速下孔隙旋转圆盘电极几何模型对应的速度场模拟解。
[0139]
所述模拟电流曲线确定模块302，具体包括：
[0140]
浓度梯度计算单元，用于根据所述速度场模拟解，利用有限元计算软件求解对流-扩散方程，确定反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度。
[0141]
瞬时电流生成单元，用于根据所述反应物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度和所述生成物在孔隙旋转圆盘电极表面上的浓度梯度，采用bulter-volmer模型，计算不同时刻孔隙旋转圆盘电极表面生成的瞬时电流。
[0142]
模拟电流曲线确定单元，用于对不同时刻的所述瞬时电流进行积分处理，得到不同转速下的模拟电流曲线模拟电流曲线。
[0143]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。
[0144]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。