교환 전류 밀도

전기화학에서 교환 전류 밀도(영어: Exchange current density)는 타펠 방정식, 버틀러-폴머 방정식 및 기타 전기화학 동역학 표현식에 사용되는 매개변수이다. 타펠 방정식은 전해 공정의 전류가 과전압에 의존하는 정도를 설명한다.

교환 전류 밀도는 순수 전해 과정이 없고 과전압이 0일 때의 전류이다. 교환 전류는 다양한 과전압에서 관찰되는 순수 전류가 정규화되는 배경 전류로 생각할 수 있다. 평형 전위에서 환원 반응으로 기술되는 산화환원 반응의 경우, 전극/용액 계면에서 양방향으로 전자 전달 과정이 계속된다. 음극 전류는 양극 전류에 의해 균형을 이룬다. 양방향으로 지속되는 이 전류를 교환 전류 밀도라고 한다. 전위가 형식 전위보다 더 음으로 설정되면 음극 전류가 양극 전류보다 커진다. 환원으로 기술될 때 음극 전류는 양이다. 순수 전류 밀도는 음극 전류 밀도와 양극 전류 밀도의 차이이다.

교환 전류 밀도는 분석물과 전극 사이 전자전달의 고유 속도를 반영한다. 이러한 속도는 분석물과 전극의 구조 및 결합에 대한 통찰력을 제공한다. 예를 들어, 양성자 환원에 대한 백금 및 수은 전극의 교환 전류 밀도는 10¹⁰배 차이가 나는데, 이는 백금의 탁월한 촉매 특성을 나타낸다. 이러한 차이로 인해 수은은 수용액에서 환원(음극) 전위에서 선호되는 전극 재료이다.^[1]

교환 전류 밀도에 영향을 미치는 매개변수

교환 전류 밀도는 전극의 특성, 즉 구조뿐만 아니라 표면 거칠기와 같은 물리적 매개변수에 결정적으로 의존한다. 물론 부동태화 산화물 및 표면에 흡착된 종을 포함하여 전극의 조성을 변경하는 요인도 전자 전달에 영향을 미친다. 용액 내 전기활성 종(분석물)의 특성도 환원형 및 산화형 모두에서 교환 전류 밀도에 결정적인 영향을 미친다.

덜 중요하지만 여전히 관련성이 있는 것은 용매, 다른 전해질의 특성 및 온도를 포함한 용액의 환경이다. 교환 전류 밀도의 농도 의존성에 대해 1전자 반응에 대한 다음 표현이 주어진다.^[2]

${\displaystyle j_{0}=Fk_{0}(C_{oxy}^{1-\beta }C_{red}^{\beta })}$

여기서:

• ${\displaystyle C_{oxy}}$: 산화종의 농도
• ${\displaystyle C_{red}}$: 환원종의 농도
• ${\displaystyle \beta }$: 대칭 인자
• ${\displaystyle F}$: 패러데이 상수
• ${\displaystyle k_{0}}$: 반응 속도 상수

예시 값

1 mol/kg H₂SO₄에서의 양성자 환원 반응에 대한 교환 전류 밀도 비교^[1]

전극 재료	교환 전류 밀도 −log10(A/cm2)
팔라듐	3.0
백금	3.1
로듐	3.6
이리듐	3.7
니켈	5.2
금	5.4
텅스텐	5.9
나이오븀	6.8
타이타늄	8.2
카드뮴	10.8
망가니즈	10.9
납	12.0
수은	12.3