Elektrolyyttigradienteista

Elektrolyyttigradienteista tarkoittaa tiloja, joissa elektrolyyttinä toimivan liuoksen konsentraatio, ionien vahvuus tai pH vaihtelee tilan eri kohdissa. Tällaiset gradientit vaikuttavat ionien kulkuun, sähköiseen migraatioon sekä elekt rodin reaktioihin, ja siten ne voivat merkittävästi määrätä elektrolyyttijärjestelmän suorituskyvyn ja vakauden.

Fysikaalinen perusta muodostuu diffuusiosta, migraatiosta sähköisessä kentässä ja mahdollisesta konvektiosta. Ionien fluxin kuvaamiseen käytetään Nernst-Planckin yhtälöä sekä Fickin lakia diffuusiosta. Gradientit syntyvät luonnostaan elektrodien läheisyydessä, liuosten erilaisten ominaisuuksien vaihtelusta, sekä mikroskooppisissa ja makrokoepoisissa järjestelmissä tapahtuvasta virta- ja lämpötilakontekstista.

Tyypillisiä gradientteja ovat konsentraatiogradientit elektrolyytissä, pH-gradientit sekä ionivahvuus- tai koostumuserot. Ne voivat esiintyä muun muassa elektrodien välisten liuosten rajapinnoissa, ionivaihtokanavissa, sekä mikrofliuidisovelluksissa ja laboratoriolaitteissa.

Lähestymistavat gradienttien luomiseen ja hallintaan vaihtelevat sovelluksesta riippuen. Luonnostaan ne kehittyvät sähköisen vetovoiman, diffuusion ja mahdollisen virtausten seurauksena, kun taas mikrofliuidisovelluksissa gradientteja voidaan suunnitella laminaarivirtausten ja gradienttigeneraattorien avulla. Gradientit ovat keskeisiä monissa elektrokemiallisissa järjestelmissä, kuten akku- ja elektrolyyttialan tutkimuksessa, elektrolyyttisissä pinnoituksissa sekä biosensorien ja analytiikkatekniikoiden kehittämisessä.

Mittaus ja modellointi gradienttien tutkimuksessa hyödyntävät mikrosähköisiä elektrodeja, ionivaltaisia antureita ja fluoresenssiaineita sekä numeerisia malleja, kuten Reynoldsin tai finite element -menetelmin toteutettuja Nernst-Planck-Poisson-tyyppisiä ratkaisuja.