旋转圆盘圆环电极（Rotating Ring-Disk Electrode, RRDE）装置是在旋转圆盘电极（RDE）基础上发展的一种高级电化学测试工具，其核心功能是通过 盘电极（Disk）与环电极（Ring）的协同作用，实现对电极反应中间产物或副产物的实时检测与定量分析。以下是其核心功能及工作原理的详细解析：

1. 结构与设计

• 双电极系统：

• 盘电极（Disk）：中心圆盘，作为主工作电极，发生目标反应（如氧还原、析氢等）。

• 环电极（Ring）：环绕盘电极的同心圆环，与盘电极绝缘隔离，用于检测盘反应生成的中间体或副产物（如H₂O₂、自由基等）。

• 旋转控制：盘与环同步旋转，确保流体动力学条件一致（转速通常100~10,000 rpm）。

2. 核心功能

（1）中间产物的实时检测

• 动态捕捉：
  盘电极反应生成的中间产物（如H₂O₂、O⁻等）通过流体对流扩散至环电极表面，环电极施加特定电位使其发生氧化或还原反应，通过测量环电流定量中间体浓度。

• 选择性检测：
  通过调节环电极电位，仅对目标中间体响应，避免其他物质的干扰。

（2）反应机理解析

• 电子转移数（n）计算：
  结合盘电流（i_d）和环电流（i_r），利用公式计算反应的电子转移数，判断反应路径（如氧还原是4电子路径生成H₂O，还是2电子路径生成H₂O₂）。

  $$�=\frac{4{�}_{�}}{{�}_{�}+\frac{{�}_{�}}{�}}$$

• N（收集效率）：标定参数，表示中间体从盘到环的传输比例（通常0.2~0.4，由几何结构决定）。

（3）传质与动力学协同分析

• 扩散-反应分离：
  通过旋转控制传质速率，结合盘和环的电流响应，区分反应动力学与传质过程的影响。

• 副反应监控：
  实时监测副反应产物（如腐蚀过程中的溶解金属离子、电池中的枝晶形成），评估材料稳定性。

3. 典型应用场景

（1）氧还原反应（ORR）研究

• 燃料电池催化剂评价：

• 盘电极：Pt/C催化剂催化O₂还原。

• 环电极：检测H₂O₂生成量，计算电子转移数（n），评估催化剂选择性（4e⁻路径更高效）。

（2）腐蚀与钝化研究

• 金属溶解中间体检测：

• 盘电极：金属（如铁、铝）发生阳极溶解。

• 环电极：检测溶解产物（如Fe²⁺、Al³⁺），研究缓蚀剂效果或钝化膜形成动力学。

（3）电合成与有机电化学

• 自由基或离子中间体捕获：

• 盘电极：有机物（如苯酚）发生氧化/还原。

• 环电极：检测短寿命中间体（如苯氧自由基），揭示反应路径。

（4）环境与能源材料

• 锂氧电池：检测放电产物（LiO₂、Li₂O₂），分析电池可逆性。

• 水分解：监测析氧反应（OER）中的活性氧物种（如•OH）。

4. 关键参数与技术要点

• 收集效率（N）：

• 通过标定实验（如Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻氧化还原体系）测定，需定期校准。

• 与RRDE几何尺寸（环-盘间距、环宽度）和转速相关。

• 环电位设置：

• 需根据中间体的氧化还原电位优化，避免盘反应产物的干扰。

• 同步控制：

• 盘与环的电位、转速需精确同步，确保数据时间分辨率。

 注意事项

1. 电极维护：

• 环电极表面需保持清洁，避免污染物阻塞导致收集效率下降。

• 定期抛光盘和环表面（如用0.05 μm Al₂O₃悬浮液）。

2. 流体干扰：

• 高转速下湍流可能破坏层流，需控制转速在层流范围内（通常<10,000 rpm）。

3. 电位冲突：

• 盘与环的电位需独立控制，避免电化学信号交叉干扰。

总结

旋转圆盘圆环电极（RRDE）通过 盘-环双电极协同工作，扩展了传统RDE的功能，实现了对反应中间体的动态捕获与定量分析。其核心价值在于：

1. 揭示复杂反应的微观机理（如电子转移路径、副反应途径）；

2. 为电催化、能源存储、腐蚀科学等领域提供高分辨率的原位检测手段。
   选择RRDE需权衡其高信息量优势与更高的设备成本及操作复杂性。

• 上一篇：旋转圆盘电极装置多少钱
• 下一篇：旋转圆盘圆环电极装置是什么