Simulazioni multifisiche degli effetti generati dalle imperfezioni superficiali dell’elettrodo di working sulle caratteristiche di una cella elettrochimica

Nowadays, numerical simulation software is widely used across all fields of engineering, production, and scientific research because it allows for obtaining results under a wide range of experimental conditions without the need to physically conduct specific experiments, thus saving time and financial resources. Among the available simulators, COMSOL Multiphysics stands out for its ability to model various physical phenomena and combine them into multiphysics simulations, making it ideal for simulating complex systems. This work focuses on the multiphysics simulations I performed by modifying the period and amplitude of the parametric curve used to emulate the surface imperfections of the working electrode in a three-electrode electrochemical cell subjected to CV. I then identified the main differences between roughness and porosity. The results of the simulations will be presented following a detailed analysis of electrochemistry and electrochemical cells, with a focus on the chemical-physical principles governing cyclic voltammetry (CV) measurements. Using COMSOL Multiphysics, it was possible to develop a model of a three-electrode electrochemical cell to evaluate its response by analyzing electrochemical parameters such as absolute peak current, peak current normalized to the area available for the redox reaction, anodic and cathodic current density, electric field, and redox species concentration. In conclusion, the aim of this thesis is to evaluate, through cyclic voltammetry, how the surface roughness and porosity of the working electrode affect the response of the three-electrode electrochemical cell.

Oggi i software di simulazione numerica sono molto diffusi in tutti i settori dell’ingegneria, della produzione e della ricerca scientifica poiché consentono di ottenere risultati per una vasta gamma di condizioni sperimentali senza dover eseguire fisicamente esperimenti specifici, offrendo così risparmio di tempo e risorse economiche. Tra i simulatori disponibili, COMSOL Multiphysics si distingue per la sua capacità di modellare diversi fenomeni fisici e di combinarli in simulazioni multifisiche, rendendolo ideale per la simulazione di sistemi complessi. Questo elaborato tratterà delle simulazioni multifisiche che ho ottenuto modificando il periodo e l’ampiezza della curva parametrica che ho utilizzato per emulare le imperfezioni superficiali dell’elettrodo di working in una cella elettrochimica a tre elettrodi sottoposta a CV, ed ho poi individuato le principali differenze tra rugosità e porosità. I risultati delle simulazioni verranno illustrati in seguito ad un approfondimento riguardante l’elettrochimica e le celle elettrochimiche, con un focus sui principi chimico-fisici che regolano il funzionamento delle misurazioni di voltammetria ciclica (CV). Grazie a COMSOL Multiphysics, è stato possibile sviluppare un modello di cella elettrochimica a tre elettrodi con l'obiettivo di valutarne la risposta tramite l’analisi di parametri elettrochimici come la corrente di picco assoluta, quella normalizzata per l’area disponibile per la reazione di ossidoriduzione, la densità di corrente anodica e catodica, il campo elettrico e la concentrazione delle specie redox. In conclusione, lo scopo di questa tesi è quello di valutare tramite ciclovoltammetrie come rugosità e porosità superficiale dell’elettrodo di working modifichino la risposta della cella elettrochimica a tre elettrodi.