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Digital Simulation in Electrochemistry 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Some Mathematics: Transport Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2 Diffusion Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.4 Migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.5 Total Transport Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.6 Homogeneous Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.7 Heterogeneous Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 Normalisation – Making the Variables Dimensionless . . . . . . . . 12 2.4 Some Model Systems and Their Normalisations . . . . . . . . . . . . 14 2.4.1 Potential Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Constant Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.3 Linear Sweep Voltammetry (LSV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Adsorption Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Approximations to Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1 Approximation Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Two-Point First Derivative Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Multi-Point First Derivative Approximations . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 The Current Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5 The Current Approximation Function G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.6 High-Order Compact (Hermitian) Current Approximation . . . 39 3.7 Second Derivative Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.8 Derivatives on Unevenly Spaced Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8.1 Error Orders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.8.2 A Special Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.8.3 Current Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.8.4 A Specific Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4 Ordinary Differential Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1 An Example ode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 Local and Global Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3 What Distinguishes the Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.4 Euler Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5 Runge-Kutta, RK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.6 Backwards Implicit, BI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.7 Trapezium or Midpoint Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.8 Backward Differentiation Formula, BDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.8.1 Starting BDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.9 Extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.10 Kimble & White, KW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.10.1 Using KW as a Start for BDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.11 Systems of odes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.12 Rosenbrock Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.12.1 Application to a Simple Example ODE. . . . . . . . . . . . . . 70 4.12.2 Error Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5 The Explicit Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.1 The Discretisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2 Practicalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3 Chronoamperometry and -Potentiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.4 Homogeneous Chemical Reactions (hcr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.4.1 The Reaction Layer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.5 Linear Sweep Voltammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.5.1 Boundary Condition Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.1 Classification of Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.2 Single Species: The u-v Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.2.1 Dirichlet Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.2.2 Derivative Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3 Two Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.3.1 Two-Point Derivative Cases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.4 Two Species with Coupled Reactions. U-V . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.5 Brute Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.6 A General Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7 Unequal Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.1 Transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.1.1 Discretising the Transformed Equation . . . . . . . . . . . . . . 105 7.1.2 The Choice of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.2 Direct Application of an Arbitrary Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.2.1 Choice of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.3 Concluding Remarks on Unequal Spatial Intervals . . . . . . . . . . 110 7.4 Unequal Time Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.4.1 Implementation of Exponentially Increasing Time Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.5 Adaptive Interval Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.5.1 Spatial Interval Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.5.2 Time Interval Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8 The Commonly Used Implicit Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.1 The Laasonen Method or BI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.2 The Crank-Nicolson Method, CN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.3 Solving the Implicit System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.4 Using Four-Point Spatial Second Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.5 Improvements on CN and Laasonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.5.1 Damping the CN Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.5.2 Making Laasonen More Accurate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.6 Homogeneous Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.6.1 Nonlinear Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.6.2 Coupled Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 9 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.1 The Box Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.2 Improvements on Standard Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 9.2.1 The Kimble and White Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 9.2.2 Multi-Point Second Spatial Derivatives . . . . . . . . . . . . . . 151 9.2.3 DuFort-Frankel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.2.4 Saul’yev. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.2.5 Hopscotch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 9.2.6 Runge-Kutta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9.2.7 Hermitian Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.3 Method of Lines (MOL) and Differential Algebraic Equations (DAE) . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.4 The Rosenbrock Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.4.1 An Example, the Birk-Perone System . . . . . . . . . . . . . . . 170 9.5 FEM, BEM and FAM (briefly) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.6 Orthogonal Collocation, OC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.6.1 Current Calculation with OC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 9.6.2 A Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 9.7 Eigenvalue-Eigenvector Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.8 Integral Equation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.9 The Network Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 9.10 Treanor Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 9.11 Monte Carlo Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 10 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.1 Transport and Isotherm Limited Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.2 Adsorption Rate Limited Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 11 Effects Due to Uncompensated Resistance and Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 11.1 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 11.1.1 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 12 Two-Dimensional Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 12.1 Theories. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 12.1.1 The Ultramicrodisk Electrode, UMDE . . . . . . . . . . . . . . 202 12.1.2 Other Microelectrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 12.1.3 Some Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 12.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 12.3 Simulating the UMDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 12.3.1 Direct Discretisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 12.3.2 Discretisation in the Mapped Space . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 12.3.3 A Remark on the Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . 232 13 Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 13.1 Some Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 13.1.1 Layer Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 13.2 Electrodes in Flow Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 13.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 13.4 A Simple Example: The Band Electrode in a Channel Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 13.5 Normalisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 14 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 14.1 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 14.2 Consistency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 14.3 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 14.3.1 Heuristic Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 14.3.2 Von Neumann Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 14.3.3 Matrix Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 14.3.4 Some Special Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 14.4 The Stability Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.5 Accuracy Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.5.1 Order Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.6 Accuracy, Efficiency and Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 14.7 Summary of Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 15 Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 15.1 Language and Style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 15.2 Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 15.3 Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 16 Simulation Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 A Tables and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 A.1 First Derivative Approximations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 A.2 Current Approximations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 A.3 Second Derivative Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 A.4 Unequal Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 A.4.1 First Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 A.4.2 Second Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 A.5 Jacobi Roots for Orthogonal Collocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 A.6 Rosenbrock Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 B Some Mathematical Proofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 B.1 Consistency of the Sequential Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 B.2 The Feldberg Start for BDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 B.3 Similarity of the Feldberg Expansion and Transformation Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 C Procedure and Program Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 C.1 Example Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 C.2 Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 C.2.1 Procedures for Unequal Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 C.2.2 JCOBI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 C.3 Example Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 |
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