通过电化学的方法我们能让吉布斯自由能变大于零的化学反应发生，让低自由能的物质转化为高自由能的物质，例如CO2 转化为CO。通过电化学反应将CO2转化为CO是转化和利用CO2的重要反应，如何提高此反应的效率是一个非常重要的课题。
本文介绍的这篇发表在Nature上的研究工作利用尖端离子富集的原理提高了CO2 转化为 CO 的电化学反应速率。文章通过COMSOL进行了有限元模拟，计算了尖端的电化学反应过程，得到了电极附近的离子分布和电极表面的电流密度，充分阐述了尖端离子富集的物理机制。（Enhanced electrocatalytic CO2 reduction via field-induced reagent concentration[J]. Nature, 2016, 537(7620): 382.）
图1：钾离子在电极表面吸附能够降低CO2在金电极表面的反应势垒，提高化学反应速率。
图2：通过COMSOL 模拟计算得到电场和钾离子在空间中的分布以及表面电流密度。CO2在阴极表面发生还原反应，钾离子带正电荷能受到阴极的库仑吸引力吸附在电极表面形成扩散双电层。在电极尖端钾离子浓度会更高，表面电流密度也更大。电极表面曲率越小这种富集效果越强。通过COMSOL 模拟计算得到电场和钾离子在空间中的分布以及表面电流密度。CO2在阴极表面发生还原反应，钾离子带正电荷能受到阴极的库仑吸引力吸附在电极表面形成扩散双电层。在电极尖端钾离子浓度会更高，表面电流密度也更大。电极表面曲率越小这种富集效果越强。
图3：尖锥纳米金、棒状纳米金和颗粒纳米金的合成与表征。
图4：尖锥纳米金、棒状纳米金和颗粒纳米金在0.5M KHCO3溶液中催化CO2 还原的效果对比。尖锥纳米金的催化效果要远好于棒状纳米金和颗粒纳米金，因为尖端曲率更显钾离子富集效果越强，降低了的CO2反应的能垒。
文章总结：
此工作合成了尖锥状的纳米金电极，并且发现通过此电极能极大提高CO2的反应速率。通过充实的理论分析，文章解释了钾离子在电极表面吸附能降低CO2反应的能垒，提高反应速率。另外模拟了尖锥状的纳米金电极表面的电化学反应过程，通过模拟的图像清楚的展示了尖端离子富集的机制。（Angewandte Chemie, 2018, 130(15): 4074-4078.）
电化学反应的模拟会涉及到多个物理过程，包括物质扩散，带点离子在电场中的迁移和电极表面的化学反应。
描述电场下的物质扩散行为要在单纯的对流扩散方程（1）的基础上增加电场对带电离子的影响，也就是Nernst-Planck方程。如果要更精确的模拟离子的分布还需要考虑带点离子对电场的影响，这是时候需要把Nernst-Planck方程与泊松方程联立起来求解。我们把方程（2）（3）的联立成为Nernst-Planck-Poisson方程。通过求解Nernst-Planck-Poisson方程我们可以模拟离子在一个带电表面附近的浓度分布。一个经典的问题就是扩散双电层问题。通过COMSOL模拟扩散双电层能得到与经典理论Gouy–Chapman–Stern 模型一致的结果。
另外对于电极表面的化学反应通常使用Buler-Volmer方程进行计算。在给定外加电势和电极反应的平衡电势的条件下，通过Buler-Volmer方程能计算表面电流密度。
除了上面提到的Nature文章，另外这里提供另一篇COMSOL电化学模拟的典型文章，Electrogenerated Chemiluminescence Imaging of Electrocatalysis at a Single Au-Pt Janus Nanoparticle (Angewandte Chemie, 2018, 130(15): 4074-4078.)通过模拟得到了Au-Pt Janus 纳米颗粒在电化学过程中颗粒周围的物质浓度分布。
通过有限元模拟软件COMSOL，我们可以非常方便的实现电化学问题的模拟。COMSOL中提供了预置的接口，可以直接基于Nernst-Planck方程Nernst-Planck-Poisson方程和Butler–Volmer方程建模。充分利用COMSOL的优势能够极大的帮助我们的科研工作。
如今在高档次文章中结合COMSOL仿真模拟来解释科学问题，展示物理机制的方式已经变得越来越常见。特别是对于这种机理解释型文章，一些仿真模拟可以说是必不可少的。
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2019年11月16-17日 上海·复旦大学
2019年11月23-24日 北京·中科院过程所
2019年12月21-22日 广州·华南师范大学
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2020年01月11-12日 上海·复旦大学
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Dr. Li / Dr. Wang
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时间地点：
2019年11月16-17日 上海·复旦大学
2019年11月23-24日 北京·中科院过程所
2019年12月21-22日 广州·华南师范大学
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Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？
A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。
A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。
A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。
Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？
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Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？
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