旋轉環盤電極技術：從基礎原理到前沿應用

更新時間：2025-08-05 點擊次數：569

　　旋轉環盤電極（RRDE）作為電化學研究的重要工具，其的設計原理和多功能性使其在能源存儲、催化機理研究等領域發揮著關鍵作用。本文將系統介紹RRDE的技術原理、實驗方法及其最新應用進展。

　　技術原理與系統構成

　　RRDE由中心圓盤電極和外周環電極組成，通過精密機械傳動實現可控旋轉（100-10000rpm）。其工作原理基于流體動力學邊界層理論，旋轉產生的強制對流使電解液形成層流，遵循Levich方程：I_L=0.62nFAD^(2/3)ω^(1/2)ν^(-1/6)C。環盤間距（通常0.1-1mm）和收集效率（N=0.1-0.4）是核心設計參數。

　　實驗方法與數據分析

　　標準測試采用三電極體系，通過雙恒電位儀獨立控制盤環電位。典型實驗流程包括：

　　1）氧還原反應（ORR）測試：盤電極掃描氧還原電流，環電極檢測H2O2產率

　　2）電催化穩定性評估：計時電流法結合旋轉速度階躍變化

　　3）反應中間體捕獲：調節環電極電位選擇性氧化/還原短壽命物種

　　數據處理需考慮：

　　質量傳輸校正（Koutecky-Levich分析）

　　電子轉移數計算：n=4I_D/(I_D+I_R/N)

　　副產物選擇性評估：H2O2%=200I_R/N/(I_D+I_R/N)

　　前沿應用進展

　　燃料電池研究：量化Pt基催化劑ORR過程的4e-/2e-路徑占比

　　鋰空氣電池：解析Li2O2生成/分解機理

　　CO2電還原：追蹤COOH/CO等關鍵中間體

　　光電催化：耦合光譜技術研究電荷分離效率

　　腐蝕科學：監測金屬溶解-再沉積動態過程

　　技術發展趨勢

　　微納加工制備高精度微型RRDE（直徑<1mm）

　　高溫高壓等環境適配設計

　　與質譜/光譜聯用實現多維度表征

　　人工智能輔助反應機理解析

　　RRDE技術通過精準調控傳質過程和時空分辨檢測，持續推動電化學界面反應機理研究的深度發展，為新能源材料開發和優化提供不可替代的研究手段。