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Optimal Thickness of a Porous Micro-Electrode Operating a Single Redox Reaction

Authors :
Tien Dung Le
Stéphane Reculusa
Gerard L. Vignoles
Didier Lasseux
Alexander Kuhn
Nicolas Mano
Lin Zhang
Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux (I2M)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université de Bordeaux (UB)-École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM)
Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)-Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université (HESAM)-HESAM Université (HESAM)-Institut Polytechnique de Bordeaux-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut des Sciences Moléculaires (ISM)
Université Montesquieu - Bordeaux 4-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-École Nationale Supérieure de Chimie et de Physique de Bordeaux (ENSCPB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre de recherches Paul Pascal (CRPP)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS)
Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Snecma-SAFRAN group-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP)
Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Mécanique et d'Ingénierie, CNRS, UMR5295
ANR: ANR-10-LABX-0042-AMADEUS,ANR-10-LABX-0042-AMADEUS
ANR-10-IDEX-0003-02/10-IDEX-0003,IDEX BORDEAUX,IdEx Bordeaux(2010)
ANR-17-CE08-0005,MOMA,Modélisation d'électrodes poreuses pour leur conception optimisée(2017)
ANR-16-CE19-0001,BIO3,Electrodes poreuses biocompatibles et biofonctionnelles pour des biopiles enzymatiques miniaturisées(2016)
HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-Arts et Métiers Sciences et Technologies
HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-HESAM Université - Communauté d'universités et d'établissements Hautes écoles Sorbonne Arts et métiers université (HESAM)-Institut Polytechnique de Bordeaux-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Montesquieu - Bordeaux 4-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-École Nationale Supérieure de Chimie et de Physique de Bordeaux (ENSCPB)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Bordeaux (UB)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Bordeaux (UB)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Snecma-SAFRAN group-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ANR-10-LABX-0042,AMADEus,Advanced Materials by Design(2010)
ANR-10-IDEX-0003,IDEX BORDEAUX,Initiative d'excellence de l'Université de Bordeaux(2010)
Université Montesquieu - Bordeaux 4-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-École Nationale Supérieure de Chimie et de Physique de Bordeaux (ENSCPB)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Snecma-SAFRAN group-Université de Bordeaux (UB)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Snecma-SAFRAN group
Source :
ChemElectroChem, ChemElectroChem, Weinheim : Wiley-VCH, 2019, 6 (1), pp.173-180. ⟨10.1002/celc.201800972⟩, ChemElectroChem, Weinheim : Wiley-VCH, 2019, 6 (1), pp.173-180, ChemElectroChem, 2019, 6 (1), pp.173-180. ⟨10.1002/celc.201800972⟩
Publication Year :
2019
Publisher :
HAL CCSD, 2019.

Abstract

International audience; This article reports on a procedure to predict the optimal thickness of cylindrical porous electrodes operating a single redox reaction. This is obtained from a macroscopic model for the coupled diffusion-reaction process that is first validated with voltammetry experiments of the H2O2/H2O reductionreaction carried out with a series of porous electrodes elaborated in this work. An analytical solution to this model is developed in the steady regime and for electrodes featuring a thickness to mean radius ratio small enough compared to unity. An analytical expression of the optimal electrode thickness is derived corresponding to the crossover value of two asymptotic regimes characterizing the dependence of the volume currentdensity produced by the electrode upon its thickness. The predictive tool of the optimal thickness is general, regardless of the porous microstructure. The case of the electrodes used in the reported experiments illustrates that the optimal thickness is not intrinsic to the microsctructure characterized by the size of the representative volume, its specific area and effective diffusion coefficient. It also depends on the operating conditions reflected in the kinetic number, Ki, and the thickness of the diffusion layer surrounding the electrode. The dependence of the optimal thickness on these two parameters is quite significant in a range of very small values of Ki but remains quasi constant beyond a threshold value.

Details

Language :
English
ISSN :
21960216
Database :
OpenAIRE
Journal :
ChemElectroChem, ChemElectroChem, Weinheim : Wiley-VCH, 2019, 6 (1), pp.173-180. ⟨10.1002/celc.201800972⟩, ChemElectroChem, Weinheim : Wiley-VCH, 2019, 6 (1), pp.173-180, ChemElectroChem, 2019, 6 (1), pp.173-180. ⟨10.1002/celc.201800972⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4b0c878a1af75a08822c7e0030fa1474
Full Text :
https://doi.org/10.1002/celc.201800972⟩