Python cyclic voltammetry simulator dedicated to a graphene-based microsensor
Simulateur de voltampérométrie cyclique sous Python dédié à un micro-capteur à base de graphène
Résumé
As part of the ANR MIGRASENS project, supported by the Investissements d'Avenir program, we have developed graphene-based electrochemical microsensors for the sensitive and selective detection of micropollutants in aqueous media, such as Isoproturon, in line with European directives on priority contaminants. Graphene-based electrodes show promise in electrochemistry, particularly for environmental micro-sensors.
The work presented concerns a numerical cyclic voltammetry model developed in Python, designed to model the response of our microelectrode. The model is based on the resolution of the Poisson-Nernst-Planck equations, coupled with a current description using the Butler-Volmer model. The simulator is inspired by the work of J.H. Brown, which is based on an explicit Euler scheme. This numerical scheme has the advantage of simplicity but the major disadvantage of not being unconditionally stable. For teaching purposes, J.H. Brown uses an Excel spreadsheet. However, the use of a spreadsheet restricts the scope of the simulation, as it does not allow the model to be modified or the spatial or temporal resolution of the simulation to be easily increased. Our contribution therefore focuses on the use of an implicit Euler-type numerical scheme programmed in Python. This simulator provides a stable, open, and versatile simulation framework, enabling accurate and reliable simulations over long periods or under extreme reaction conditions. The simulator, representative of real electrochemical processes, also enables data extraction (quantification of target molecule concentration).
The model developed is compared with measurements obtained using a typical experimental setup with three electrodes (working, reference, and counter-electrodes) immersed in a LiClO4 electrolyte and a potentiostat controlling the potential applied to the working electrode.
The simulator will be further developed with the aim of reproducing various experimental conditions (square wave, chrono-amperometry, etc.) in order to guide the experimental conditions for micro-sensor testing. The simulator will also be used to interpret the electrochemical reactions taking place on our sensor.
Dans le cadre du projet ANR MIGRASENS, soutenu par le programme Investissements d'Avenir, nous avons mis au point des micro-capteurs électrochimiques à base de graphène pour la détection sensible et sélective de micropolluants en milieu aqueux tels que l'Isoproturon conformément aux directives européennes sur les contaminants prioritaires. Les électrodes à base de graphène semblent prometteuses en électrochimie dans une optique de micro-capteurs environnementaux notamment.
Le travail présenté porte sur un modèle numérique de voltampérométrie cyclique développé sous Python, visant à modéliser la réponse de notre microélectrode. Ce modèle repose sur la résolution des équations de Poisson-Nernst-Planck, couplé à une description du courant utilisant le modèle de Butler-Volmer. Le simulateur s’inspire du travail de J.H. Brown, lequel s'appuie sur un schéma d'Euler explicite. Ce schéma numérique a l'avantage de la simplicité mais présente l'inconvénient majeur de ne pas être inconditionnellement stable. A des fins pédagogiques, J.H. Brown utilise un tableur Excel. Cependant le recours à un tableur restreint le cadre de la simulation, ne permettant pas de modifier le modèle ou encore d'augmenter facilement la résolution spatiale ou temporelle de la simulation. Ainsi, notre contribution porte sur l'utilisation d'un schéma numérique type Euler implicite programmé sous Python. Ce simulateur permet d'offrir un cadre de simulation stable, ouvert et versatile, permettant des simulations précises et fiables sur de longues périodes ou dans des conditions de réaction extrêmes. Le simulateur, représentatif des processus électrochimiques réels, permet également l'extraction de données (quantification de la concentration de la molécule cible).
Le modèle développé est comparé aux mesures obtenues au moyen d'un dispositif expérimental typique à trois électrodes (électrodes de travail, de référence et contre-électrode) immergées dans un électrolyte LiClO4, et un potentiostat contrôlant le potentiel appliqué à l'électrode de travail.
Le développement du simulateur sera poursuivi dans le but de reproduire diverses conditions expérimentales (square wave, chrono-ampérométrie …) afin d'orienter les conditions expérimentales de test des micro-capteurs. Le simulateur devra aussi permettre d'approfondir l'interprétation des réactions électrochimiques se produisant sur notre capteur.
Domaines
Physique [physics]| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|