塔菲爾方程

塔菲爾方程給出了電極反應的反應速率和過電位的關係^[1]。塔菲爾方程最早是由瑞士化學家尤利烏斯·塔菲爾根據實驗數據歸納得出。

Tafel plot for an anodic process

單電極的塔菲爾方程可以寫作：

${\displaystyle \eta =A\times \log _{10}\left({\frac {i}{i_{0}}}\right)}$

式中

• ${\displaystyle \eta }$：過電位，V
• ${\displaystyle A}$：塔菲爾斜率，V
• ${\displaystyle i}$：電流密度，A/m²
• ${\displaystyle i_{0}}$：交換電流密度，A/m²

概述

交換電流密度指的是氧化劑或還原劑和電極之間達到電子轉移平衡時的電流密度，代表著兩者平衡時的電化學反應速率。塔菲爾斜率可以通過實驗求出，也可以通過理論推導。

${\displaystyle {\frac {\lambda kT}{e}}<A}$

${\displaystyle A}$定義為

${\displaystyle A={\frac {\lambda kT}{e\alpha }}={\frac {\lambda V_{T}}{\alpha }}}$

式中

• ${\displaystyle \lambda =\ln(10)=2.302585\ldots }$
• ${\displaystyle k}$：玻爾茲曼常數
• ${\displaystyle T}$：絕對溫度
• ${\displaystyle e}$：單位電荷
• ${\displaystyle V_{T}=kT/e}$ ：熱電壓
• ${\displaystyle \alpha }$ ：電荷轉移因子，需要在0到1之間取值。

另一形式

塔菲爾方程還可以寫作

${\displaystyle i=nFKC\exp \left(\pm \alpha F{\frac {\eta }{RT}}\right)}$

式中

• ${\displaystyle K}$：電極反應的速率常數，s⁻¹
• ${\displaystyle R}$：普適氣體常數
• ${\displaystyle F}$：法拉第常數
• ${\displaystyle C}$：電極表面的反應物相對濃度，mol/m²

應用

塔菲爾方程可以應用於極化率高的區域，對於低極化率區域，電流和極化率常呈線性關係:

${\displaystyle i=i_{0}{\frac {nF}{RT}}\Delta E}$

參見

• 過電位
• 巴特勒-福爾默方程
• 極限電流