رابطه‌ی ترمودینامیکی میانِ بستگیِ ولتاژ-چگالش و جذبِ سطحیِ نمک در پیل‌های الکتروشیمیایی

بسیاری از مناطق روی کره‌ی زمین از داشتنِ آبِ شیرین بی‌بهره‌اند، درحالی‌که دارای مقادیرِ بسیار زیادی آب شور هستند. بنابراین فن‌آوریِ نمک‌زدایی (از آب) برای ساکنانِ این مناطق، بسیار مهم و حیاتی‌ست. یکی از روش‌ها، جداسازیِ الکتروشیمیایی‌ست. در این روش الکترودها را در منبعی از آب قرار می‌دهند و مانندِ شارژکردن باتری یا خازن، الکترودها را باردار می‌کنند. به این ترتیب یون‌ها به سوی الکترودها جذب شده و روی سطحِ آن‌ها می‌نشینند. این روشی قدیمی و مطمئن است اما در مقیاسِ صنعتی، حتی کوچک‌ترین تغییر در پارامترها، پیامدهای خوب و بد شگرفی خوهد داشت. نظریه‌ای کلی در این زمینه مورد نیاز است که کمیت‌های کلیدی مربوط به پیل‌های الکتروشیمیایی، مانندِ ولتاژ و چگالش را به هم مربوط سازد و این کاری‌ست که Raul Rica به همراهِ هم‌کارانش از دانش‌گاهِ Milan-Bicocca در ایتالیا به Physical Review Letters گزارش کرده‌اند.

iStockphoto/irabell

چگونگیِ بستگیِ ولتاژ به چگالشِ یون‌ها در موردِ باتری‌ها و خازن‌ها به خوبی شناخته‌شده است، اما هنگامی‌که انباشتگیِ نمک در الکترودها زیاد باشد، این تصویر بسیار پیچیده می‌شود. Raul Rica  و هم‌کارانش رابطه‌ای برای این بستگی به‌دست آورده‌اند که دو فرآیندِ متفاوت را به یک‌دیگر پیوند می‌دهد، یون‌زدایی در خازن‌ها (مانندِ نمک‌زدایی) و آمیختگی در خازن‌ها (مانندِ تولیدِ انرژی از راهِ درهم‌آمیختنِ دو محلولِ نمک با انباشتگیِ (غلظتِ) متفاوت). این پژوهش‌گران به این ترتیب به معادله‌ای کاملاً کلی دست یافته‌اند که می‌توان آن را در زمینه‌ی ذخیره‌سازیِ انرژی در محیط‌های قطبش‌پذیر، باتری‌ها و سامانه‌های دارای انباشتگیِ نمک، به کار گرفت. این گروه رابطه‌ی خود را با نتایجِ آزمایش‌گاهیِ به‌دست آمده از پیل‌های یون‌زدایی و مدل‌های کلاسیکیِ موجود درباره‌ی رفتارِ پیل‌های شیمیایی مقایسه کرده و به این ترتیب، این رابطه‌ی را اثبات کردند. شاید نتیجه‌ی به‌دست آمده امکان بهینه‌سازیِ تلاش‌های آینده در زمینه‌ی تبدیلِ آبِ شور به آبِ شیرین را فراهم کند.

منبع

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.109.156103

نویسنده: David Voss