ACE Lab CV·CA Simulator v2

전자전달 속도론 ← 실험실 도구
매개변수를 정하고 Run(또는 Enter)을 누르세요. 처음이면 부터.

④ 읽어 보기

결과가 여기 나옵니다(겹쳐 그리기를 켜면 쌓이고, 기법을 바꾸면 지웁니다).

가역이면 ΔEp ≈ 57~60/n mV(25 °C)이고 v를 바꿔도 그대로다. Butler-Volmer에서 v를 올리면 Λ가 줄어 ΔEp가 벌어진다. 시뮬레이션에는 iR이 없으니 실측 ΔEp를 이 화면의 k⁰로 바로 읽지 않는다.

결과 줄 읽는 법(Λ, 영역, ψ, 역/정 비)은 , 경고는 .

업데이트 기록

도움말 · CV·CA Simulator v2

처음이면 §2만 따라 해도 된다. 결과가 이상하거나 빨간 경고가 뜨면 §7, 실측과 견줄 때는 §9 ③과 §10을 읽는다. 전자전달 속도(k⁰)를 다루는 부분은 각 절의 「Butler-Volmer」 항목이다.

1. 이 도구로 할 수 있는 것

판전자전달이럴 때 연다
v1가역(Nernst)만피크 크기, 확산, D 추정, 처음 배우기(화면이 더 단순)
v2 (이 화면)가역 + Butler-Volmer(k⁰, α)ΔEp가 v에 따라 벌어지는 계, 전자전달 속도를 보고 싶을 때

2. 처음 3분

  1. 아무것도 바꾸지 않고 Run을 누른다(입력 칸에서 Enter도 된다). 기본값 = Ru(NH₃)₆³⁺ 1 mM, 가역, 100 mV/s CV.
  2. 오른쪽 「④ 읽어 보기」의 요약 표와 결과 줄을 본다. ΔEp가 약 57 mV이고 정방향 ip가 Randles-Sevcik 대조값과 같으면 계산이 해석해와 맞는 것이다.
  3. 「겹쳐 그리기」를 켜고 「② 전자전달」에서 Butler-Volmer를 누른다. k⁰ 슬라이더를 왼쪽으로 조금씩 끌었다 놓는다(놓는 순간 계산한다). 피크가 낮아지며 벌어지고, 결과 줄의 영역이 가역 → 준가역 → 비가역으로 바뀐다.
  4. 「① 용액과 전극」을 자기 계의 값(E⁰′, 농도, 면적, D)으로 바꿔 다시 Run. 넣은 값은 이 브라우저에 기억된다.
  5. 「CA · CC」 탭으로 바꿔 Run하면 계단 응답이 나온다. 그림과 수치는 「CSV 저장」, 「그림 PNG」로 내려받는다(§8).

3. 입력 칸

모든 전위 칸은 같은 기준전극 대비다. 기본값은 시작점이지 측정 상수가 아니다. 칸에 마우스를 올리면 허용 범위가 보인다.

① 용액과 전극

칸뜻기본값범위, 주의
E⁰′형식 전위−0.157 V±10 V. D_O = D_R이면 가역 CV의 E½와 같다.
C_O 벌크산화체 농도1 mM0 이상. C_O, C_R 중 하나는 양수.
C_R 벌크환원체 농도0 mM둘 다 넣으면 혼합 용액(ferri + ferro 등). 이때 Randles-Sevcik 대조값은 내지 않는다.
면적 A전극 면적0.0707 cm²지름 3 mm 원판. 기하 면적을 가정하면 D 추정에 오차가 2배로 들어간다(§6).
D_OO의 확산계수8.7×10⁻⁶ cm²/s1e-3을 넘으면 오류(수용액 이온은 약 1e-5).
D_RR의 확산계수빈칸 = D_OD_O와 10배 넘게 다르면 경고.
온도 T켈빈298.15 K100~1000 K. 바뀌는 것은 RT/nF뿐이다. D, E⁰′, k⁰(온도에 민감), α는 그 온도의 값을 넣는다(수용액 D는 25 °C 근처에서 K당 약 2~3 % 커진다).
기준전극이름(선택)빈칸그림 축과 CSV에만 쓰이고 계산과 무관.

② 전자전달

칸뜻기본값범위, 주의
n전자 수1가역에서만 바꿀 수 있다. n > 1은 n전자가 한 E⁰′에서 함께 평형인 극한이다. 두 단계 E⁰′가 떨어진 2전자 계(퀴논 등)는 ΔEp, ip가 이 계산과 다르다.
가역 / Butler-Volmer전자전달 모델가역Butler-Volmer를 누르면 n 칸이 1로 잠기고(반응 전체를 1전자 반응으로 계산, n전자 반응의 율속 단계 모델이 아니다), 가역으로 돌아가면 넣었던 n이 돌아온다.
k⁰표준 속도상수0.01 cm/s1e-12~1e3 cm/s. 기본값은 예시이지 이 계의 측정값이 아니다. 슬라이더는 로그 눈금, 놓으면 계산.
α환원 쪽 전달계수0.50과 1 사이(흔한 범위 0.3~0.7). 산화 주사(R이 소모)에서는 1 − α가 쓰이고, 그때는 칸 옆에 그 값이 뜬다. 전위에 무관한 상수로 둔다.

Λ(CV의 속도 척도) = k⁰ / √(D·f·v), D = D_O1−α·D_Rα(D_R 빈칸이면 D_O), f = F/RT ≈ 38.9 V⁻¹(25 °C, 주파수가 아니다). 전자전달 속도를 주사 속도와 견준 값이라 같은 k⁰라도 v를 올리면 작아진다. Λ ≥ 15면 가역과 같고, 작을수록 피크가 벌어지고 낮아진다(§5).

③ 기법: CV

칸뜻기본값범위, 주의
주사 속도 vV/s0.110 V/s를 넘으면 단위 확인 경고(100 mV/s = 0.1). 슬라이더는 1 mV/s~10 V/s, 놓으면 계산.
시작 전위주사 시작점0.4 V반응이 없는 전위에서 시작해야 시작 스파이크가 없다(§7).
스위칭 전위되돌아오는 점−0.6 V시작보다 음이면 환원부터, 양이면 산화부터. 피크 너머로 충분히 가야 한다. 비가역이면 피크가 E⁰′에서 수백 mV 밀려나므로 넉넉히. |스위칭 − 시작| ≥ 0.05 V.
사이클 수반복 횟수11~20. 결과 수치는 첫 주기만.

③ 기법: CA · CC

칸뜻기본값범위, 주의
계단 전위t = 0에 거는 전위−0.6 V확산 한계를 보려면 E⁰′에서 충분히 먼 쪽(환원이면 음, 산화면 양). 계단 전에는 반응 없는 전위에서 대기했다고 둔다.
지속 시간계단 길이10 s0.001~10000 s.
읽을 시각i, Q를 읽는 시각빈칸 = 지속/20 초과, 지속 시간 이하.

4. 화면 읽기

5. CV 결과 해석

결과 줄의 뜻

판단하는 법

Butler-Volmer 줄

6. CA · CC 결과 해석

결과 줄의 뜻

판단하는 법

Butler-Volmer CA와 계단 직후

7. 경고가 뜨면

빨간 「경고:」는 계산은 했지만 그대로 믿기 전에 볼 것, Run 아래 「입력 오류:」는 계산하지 않은 것이다.

경고 첫머리뜻할 일
시작 계단 전류가 … % (가역)
시작 전위에서 이미 반응이 흐른다 (Butler-Volmer)
시작 전위에서 이미 반응이 일어나 시작 스파이크가 생긴다.경고가 알려 주는 방향으로 시작 전위를 E⁰′에서 더 멀리. OCP에서 시작하는 실험이면 평형전위로.
정방향(역방향) 극값이 시작점 · 스위칭 지점 · 구간 끝에 있다창 안에 피크가 없다. 그 값은 피크가 아니라 구간 끝의 전류다.스위칭 전위를 피크 너머로 넓히거나 시작 전위를 옮긴다.
비가역 예상 피크 Ep ≈ …비가역 해석해로 본 피크가 창 끝에 너무 가깝다.경고가 권하는 만큼 스위칭 전위를 더 넓힌다.
정방향 전류가 Randles-Sevcik 대조값의 1 % 미만주사 창이 E⁰′에서 멀어 반응이 거의 없다.창을 E⁰′ 양쪽에 걸친다.
α = … 흔한 범위(0.3~0.7) 밖계산은 되지만 드문 값이다.α를 확인한다.
평면 반무한 가정 오차 √(πDt)/r ≈ …원판 가장자리 확산을 무시한 오차. 0.15를 넘으면 경고, 1을 넘으면 평면 가정이 성립하지 않는다(초미세전극, 느린 주사).그대로 쓸 때는 실측과의 차이를 D 오차로 읽지 않는다.
실제 원판이면 가장자리 확산만으로 Anson 기울기가 약 … % 크고CA에서 같은 효과의 크기.실측 D와 절편을 읽을 때 이 몫을 넣는다.
D_O/D_R 비가 10배 넘음격자가 빠른 종에 맞춰져 느린 종의 정확도가 떨어진다.값이 맞는지 확인한다.
계산 점 약 …백만 개수십 초 걸리고 그동안 화면이 멈춘 듯 보인다(취소 없음).기다리거나 사이클 수를 줄인다.
T = … K, 켈빈이 맞는가 / 주사 속도 … V/s, 단위 확인단위 실수로 보이는 값.°C, mV/s로 넣지 않았는지 본다.

입력 오류(계산 안 함)

8. 저장

9. 해 보기 예제

① ip가 √v에 비례하는지 보기

  1. CV, 가역, 기본값에서 「겹쳐 그리기」를 켠다.
  2. 주사 속도 0.01, 0.1, 1을 차례로 넣고 Run.
  3. 요약 표 ip/√v 칸이 세 곡선 모두 같은지 본다(가역, 확산 지배). ΔEp도 v와 무관하게 약 57 mV.

② CA로 D 되찾기

  1. CA · CC, 가역, 기본값(계단 −0.6 V, 10 s)으로 Run.
  2. Anson 기울기(약 −22.7 µC/s½, 환원이라 음수)를 읽는다.
  3. D = π·(기울기 / 2nFAC)². 단위를 C, cm², mol/cm³(1 mM = 10⁻⁶ mol/cm³)로 맞추면 넣은 8.7×10⁻⁶ cm²/s가 다시 나온다. 실측 기울기로 같은 계산을 하면 그 계의 D 추정값이다(A 오차 2배에 주의).

③ 실측 CV와 견줄 때 순서

  1. 실측에서 바탕 곡선(지지전해질만)을 뺀다.
  2. A, C, D는 이 측정과 따로 정한 값을 넣고, E⁰′는 실측 E½(또는 피크 중점) 근처로 둔다. 온도도 맞춘다.
  3. 같은 v로 Run하고 CSV를 내려받아 Excel에서 실측과 같은 그래프에 그린다(이 화면에는 실측 곡선을 올릴 수 없다).
  4. ip만 다르면 A√D 묶음(면적, D, 농도) 쪽을 본다. ΔEp가 다르고 v와 함께 벌어지면 iR을 먼저 배제한 뒤(농도를 바꿔 재 보기) Butler-Volmer로 k⁰를 바꿔 견준다.

④ 같은 k⁰에서 v를 바꿔 ΔEp 보기

  1. CV, Butler-Volmer, k⁰ = 0.001, α = 0.5, 「겹쳐 그리기」 켬.
  2. 주사 속도 0.01, 0.1, 1로 Run. Λ가 0.54, 0.17, 0.05로 줄고 ΔEp가 약 129, 219, 334 mV로 벌어진다(모두 준가역).
  3. 요약 CSV로 ΔEp–v를 그려 보면 실측에서 k⁰를 가늠하는 방법(Nicholson 방법)의 모양이 보인다. 실측에 쓸 때는 iR을 먼저 뺀다.

⑤ 비가역에서 창이 모자랄 때

  1. CV, Butler-Volmer, v = 0.1에서 k⁰ = 1e-6으로 Run(Λ ≈ 1.7×10⁻⁴, 비가역).
  2. 「비가역 예상 피크 Ep ≈ −0.625 V」와 「정방향 극값이 스위칭 지점에 있다」 경고가 뜨고 ΔEp는 나오지 않는다. 피크가 −0.6 V 창 밖에 있기 때문이다.
  3. 스위칭 전위를 −1.0 V로 넓혀 다시 Run하면 피크가 잡히고 결과 줄에 비가역 해석해와 시뮬레이션 값이 나란히 나온다.

10. 가정과 한계

11. 용어

말뜻
대조값같은 조건의 해석해. 계산이 맞는지 보는 기준(Randles-Sevcik, Cottrell, Anson 이론 기울기, 비가역 해석해, BV 계단 해석해).
0 기준전류 0을 기저선으로 잰 값. 역방향 피크에서 정방향 꼬리를 빼지 않는다.
시작 계단t = 0에 시작 전위를 거는 순간의 계단. 그때의 전류가 시작 스파이크.
E½, 피크 중점정방향, 역방향 피크 전위의 중점. 가역이면 E½, 준가역, 비가역이면 피크 중점이라 부른다.
ΔEp역방향 Ep − 정방향 Ep의 크기.
소모 종주사(계단) 방향에서 전극에 쓰이는 종. 환원이면 O, 산화면 R. 대조값과 영역은 이 종의 C, D, 전달계수로 낸다.
k⁰, α표준 속도상수(E⁰′에서의 전자전달 속도)와 전달계수(전위가 속도를 바꾸는 몫 중 환원 쪽 비율).
Λk⁰를 주사 속도로 정규화한 값(Matsuda-Ayabe). 클수록 가역에 가깝다.
영역Λ로 나눈 가역, 준가역, 비가역. 경계는 근사다.
ψNicholson(1965)의 속도 척도. 준가역 ΔEp 표를 찾는 열쇠.
H√ΔtBV 계단 직후가 계산 격자로 풀리는지 보는 수. 클수록 처음 구간을 믿기 어렵다.
계단 직후CA에서 계단을 건 바로 뒤. 계산 격자 해상도에 묶일 수 있는 구간.
읽을 시각결과 줄과 요약 표의 i, Q를 읽는 시각.
Nicholson 보정역/정 ip 비를 정방향 꼬리 위에서 재도록 고친 근사식(1966). 가역 전자전달에서 0 기준 비 대신 본다.