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Desarrollo de un Modelo Matemático para el Estudio de la Nucleación Electroquímica de Cobre con Crecimiento Controlado por Difusión

Colet Lagrille, Melanie Alejandra
Vargas Valero, Tomás
Salgado Herrera, Cristian
Cifuentes Seves, Luis
Figueroa Jiménez, Manfredo

2009

  • Datos de edición Programa Cybertesis
  • Tipo de Documento Libro
  • Materia Electroquímica
    Nucleación
    Modelos matemáticos
    Análisis cronoamperométrico
    Electrodeposición de cobre
  • Descripción
    Este trabajo de tesis presenta un estudio teórico - empírico realizado con el objetivo de desarrollar un modelo matemático que permita caracterizar la cinética de los procesos de nucleación electroquímica a partir de su análisis cronoamperométrico. La finalidad de esta propuesta es superar las limitaciones que el modelo de Scharifker ...
    Este trabajo de tesis presenta un estudio teórico - empírico realizado con el objetivo de desarrollar un modelo matemático que permita caracterizar la cinética de los procesos de nucleación electroquímica a partir de su análisis cronoamperométrico. La finalidad de esta propuesta es superar las limitaciones que el modelo de Scharifker - Mostany presenta al determinar los valores de los parámetros cinéticos y al reproducir los perfiles temporales de densidad de corriente. Scharifker y Mostany pudieron obtener una función temporal de la densidad de corriente del sistema en base a dos resultados matemáticos previos: (1) el teorema de Avrami para representar la fracción de área del cátodo cubierta por las zonas de difusión esféricas proyectadas sobre un plano, q(t); (2) la solución de las ecuaciones de difusión lineal con concentración superficial igual a cero (ecuación de Cottrell) para representar la densidad de corriente sobre la superficie del cátodo. El modelo alternativo desarrollado en este trabajo de tesis considera que cada zona de difusión tridimensional que es proyectada sobre el plano se asocia a un perfil de concentraciones cuyo valor promedio es distinto de cero, razón por la cual la utilización de la ecuación de Cottrell como representación de la densidad de corriente del sistema no es correcta. Luego, se han resuelto las ecuaciones de difusión lineal considerando como condición superficial la función temporal de concentración: donde exp[ - qex(t)] representa la fracción de área del cátodo cubierta por las zonas de difusión si estas no estuvieran traslapadas y se relaciona con q(t) a través del teorema de Avrami. La concentración C*(t) es representativa de la competencia entre los núcleos que crecen por el consumo del material iónico en solución, la cual se gatilla con el traslape de las zonas de difusión asociadas a cada uno de ellos. La validación del modelo alternativo desarrollado se realizó en base al análisis de las curvas cronoamperométricas obtenidas al ser aplicado un sobrepotencial catódico en el rango [ - 100, - 300] mV sobre un electrodo de trabajo de carbono vítreo u oro inmerso en el sistema acuoso CuSO4 - H2SO4 a 25 °C, con pH igual a la unidad y concentraciones de ión cúprico 0,010, 0,025 y 0,050 M. Para los casos de nucleación electroquímica a altos sobrepotenciales (intervalo [ - 200, - 300] mV) el modelo propuesto permitió el ajuste simultáneo de los parámetros cinéticos y de los perfiles temporales de densidad de corriente, obteniéndose un coeficiente de determinación promedio, con respecto a los valores experimentales y de referencia, igual a 0,99. El resultado anterior supera al R2 = 0,91 obtenido mediante la aplicación del modelo de Scharifker - Mostany, el cual tampoco fue capaz de generar valores del coeficiente de difusión bien correlacionados con los medidos experimentalmente (se obtuvieron valores con un 30% de error relativo con respecto al rango [0,57, 0,80] x 10 - 5 cm2/s reportado por la literatura). En vista de lo anterior, la introducción de una concentración variable como condición de borde superficial en el problema de difusión permite obtener resultados más confiables para la simulación de los procesos de nucleación electroquímica y sus aplicaciones en la ingeniería (metalurgia extractiva, electrónica, entre otras).
  • Identificador 10108