Theory of Chemical Kinetics and Charge Transfer based on Nonequilibrium Thermodynamics

动能 化学反应 电荷(物理) 物理 熵产生 化学物理 统计物理学 扩展不可逆热力学 化学 反应速率常数
作者
Martin Z. Bazant
出处
期刊:arXiv: Materials Science 被引量:33
标识
DOI:10.1021/ar300145c
摘要

Classical theories of chemical kinetics assume independent reactions in dilute solutions, whose rates are determined by mean concentrations. In condensed matter, strong interactions alter chemical activities and create inhomogeneities that can dramatically affect the reaction rate. The extreme case is that of a reaction coupled to a phase transformation, whose kinetics must depend on the order parameter -- and its gradients, at phase boundaries. This Account presents a general theory of chemical kinetics based on nonequilibrium thermodynamics. The reaction rate is a nonlinear function of the thermodynamic driving force (free energy of reaction) expressed in terms of variational chemical potentials. The Cahn-Hilliard and Allen-Cahn equations are unified and extended via a master equation for non-equilibrium chemical thermodynamics. For electrochemistry, both Marcus and Butler-Volmer kinetics are generalized for concentrated solutions and ionic solids. The theory is applied to intercalation dynamics in the phase separating Li-ion battery material Li$_x$FePO$_4$.
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