AIMATRALAB / SCIENTIFIC RECORD 1.0

电极反应与扩散实验室
科学说明与审核记录

版本 1.0 · 2026-10-27 · 理想教学模型

本工具是可复核的一维电化学教学模型,不是特定材料、氧化还原对或仪器的标定预测器。独立实现审核状态见下方,AI 审核不等同于电化学专家认证。

1. 物理体系与单位

平面宏电极上的可逆单电子反应 O + e⁻ ⇌ R。两组分采用同一扩散系数 D,体相初始浓度 cₒ = C*、cᵣ = 0。加入过量支持电解质使电迁移可忽略,溶液静止并忽略对流。反应速度足够快,电极表面始终满足 Nernst 平衡。本版没有可调 Butler–Volmer 速率常数或传递系数。

内部全部采用 SI:D 为 m²/s,距离 m,时间 s,面积 m²,浓度 mol/m³,电流 A,温度 K。界面上 1 mM = 1 mol/m³;面积以 cm² 输入,换算为 m²。电位相对同一个理想参比,以 E⁰′ 为可调形式电位。

2. 方程与电流正负

∂cₒ/∂t = D ∂²cₒ/∂x² ; cᵣ = C* − cₒ
cₒ(0,t) = C* / {1 + exp[−F(E − E⁰′)/(RT)]}
cₒ(L,t) = C* ; cₒ(x,0) = C*
i = −FA D (∂cₒ/∂x)₀
E: E⁰′ + 0.350 → E⁰′ − 0.350 → E⁰′ + 0.350 V
tmax = 1.400 / ν ; L = 8√(D tmax)
F = 96485.33212 C/mol ; R = 8.314462618 J/(mol K)

x 轴从工作电极指向电解液。还原消耗 O,因此正浓度梯度对应负电流;氧化电流为正。初始高电位使表面 O 近似为 C*,但求解器仍施加精确 Nernst 边界。总浓度恒定来自相同 D、互补反应通量及相同初始/体相总浓度,不能无条件扩展到不同扩散系数。

3. 数值解与显示

采用守恒有限体积离散和后向 Euler 隐式时间推进,700 个均匀单元、2800 个时间步。未知量在单元中心;两侧 Dirichlet 边界位于半网格之外,所以边界通量为 2D(c边界−c首单元)/Δx。三对角线由 Thomas 算法求解。界面浓度剖面只显示靠电极的 0–0.38L,但求解域为 0–L。逐步检查总量变化与两边界通量积分之间的残差。

预计算一个完整物理周期后同步回放曲线、读数、组分与三维视图;播放速度只影响观看时长。每个球形标记的颜色按其法向位置的浓度采样,数量与轨迹不代表真实分子。浓度剖面为工作电极法向的独立放大,三电极硬件为通用示意;相机运动不改变物理模型。

4. 验证与审核

自动测试核对 Nernst 正负号、平衡点、无梯度零通量、全离散质量守恒、浓度有界性、还原/氧化电流符号、峰间距与 Randles–Ševčík 峰电流,以及 C*、√D 与 √ν 标度。以 T = 298.15 K、D = 10⁻⁹ m²/s、ν = 0.1 V/s、A = 1 cm²、C* = 1 mM 为基准,理想峰值为下式;数值峰误差门槛 3.5%,峰间距门槛 52–69 mV。有限网格和后向 Euler 会产生数值误差。

|iₚ| = 0.4463 FA C* √(FDν/RT)

独立 AI 交叉审核已复核有限体积边界符号、Thomas 求解与电流方向;350/1400、700/2800、1000/5600 三组空间/时间网格的阴极峰分别为 −268.63765、−268.64344、−268.64483 µA,峰间距为 58、57.5、57.5 mV,单步质量残差小于 3.89×10⁻¹⁹ mol/m²。独立审核未发现实质科学阻塞;不等同于人工电化学专家认证。

5. 适用边界

不包含迁移、对流、欧姆降、双电层充电电流、有限电子转移动力学、吸附、耦合化学反应或电极边缘效应。域长按每个扫描周期重新设置,不能解释为真实电池容器尺寸。L 大于有限时间内主要扩散尺度,仍是半无限扩散的有限域近似。本工具不读取或拟合实验数据。

6. 公开依据

model.mjs · SHA-256 (LF)
415f33114a79f04530125d348bdae918ed9e9abd827c60c81e8bbc0822a806e3

  1. Yamada et al. Cyclic Voltammetry Part 1: Fundamentals. Electrochemistry 90, 102005 (2022). DOI: 10.5796/electrochemistry.22-66082.
  2. COMSOL 6.4: Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D — diffusion domain, supporting electrolyte and boundary conventions.

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