旋转圆盘圆环电极（RRDE）：原理、结构与应用

引言

在电化学研究中，电极反应动力学和反应机理的探索一直是核心课题。传统的静止电极受限于传质速度慢、电流

分布不均匀等问题，难以满足现代电化学分析的需求。旋转圆盘圆环电极（Rotating Ring-Disk Electrode，简称

RRDE）的出现，为解决这些难题提供了强有力的工具。作为一种流体动力学控制的工作电极，RRDE通过精确控制

传质过程，不仅能够研究电极反应动力学，还能实时检测反应中间产物，已成为燃料电池、金属腐蚀、电合成等

领域不可或缺的研究手段。

一、RRDE的基本结构与类型

1.1 结构组成

RRDE的核心结构包含两个独立的工作电极：位于中心的盘电极和环绕其外的环电极。盘电极通常采用玻碳（GC）、

金（Au）或铂（Pt）等材料，而环电极则多为铂（Pt）材质，其中玻碳盘-铂环是最为常见的组合。盘与环之间由

绝缘材料隔离，常见的绝缘层材料有聚四氟乙烯（PTFE，适用15-35℃）和聚醚醚酮（PEEK，适用15-70℃）。

1.2 类型划分

根据使用需求，RRDE可分为固定电极和可换电极两类：固定电极结构一体、不可拆卸，适合常规测试；可换电极

则允许通过工具拆卸盘芯，便于更换不同材质的盘电极而环保持固定。这种设计为研究人员提供了更大的灵活性，

以适应不同的实验体系。

二、RRDE的工作原理

2.1 流体动力学控制

RRDE的工作原理建立在精确的流体动力学控制之上。当电极在溶液中高速旋转时，会产生强烈的强制对流，将

溶液源源不断地推向电极表面。根据Levich理论，电极旋转会在表面形成一层厚度可控的扩散层，扩散层厚度与

转速的平方根成反比——转速越高，扩散层越薄，传质速度越快。

2.2 “发生器-收集器”机制

RRDE最独特的功能在于其“发生器-收集器”工作模式。盘电极作为“发生器”，在施加电位下发生目标电化学

反应，产生中间产物或最终产物；这些产物在旋转产生的对流作用下向外径向流动，到达环电极；环电极作为

“收集器”，在设定的电位下将流经的中间产物进行检测或进一步反应。

盘环之间的收集效率（N）是一个关键参数，它定义为环电极检测到的物质流量与盘电极生成该物质流量之比。

收集效率仅取决于电极的几何尺寸——盘的直径、环的内径和外径，而与反应体系、溶液性质等无关。因此，

一旦RRDE的物理尺寸确定，其收集效率就是一个固定常数，这为定量分析提供了便利。

三、RRDE的主要应用领域

3.1 氧还原反应（ORR）机理研究

氧还原反应是燃料电池和金属空气电池中的核心反应，其机理复杂，可能经历电子路径生成过氧化氢，或电子

路径直接生成水。RRDE在区分这两种路径方面具有独特优势。

在典型的ORR测试中，盘电极上进行线性扫描伏安（LSV）测试，记录氧还原电流；环电极施加恒定电位

（通常为1.2 V vs. RHE），氧化收集到的过氧化氢。通过盘电流（Id）、环电流（Ir）和收集效率（N），

可以计算电子转移数（n）和过氧化氢产率（H₂O₂%）。例如，清华大学李亚栋院士团队利用RRDE证实，

其制备的单原子铂催化剂在酸性介质中可将O₂以92-96%的选择性还原为H₂O₂。

3.2 析氧反应（OER）法拉第效率测试

在析氧反应研究中，RRDE可用于测定法拉第效率。其测试原理为：在盘电极上施加恒电流，驱动析氧反应

（OER）产生氧气；在环电极上施加恒电压，使氧气发生还原反应（ORR）被消耗。通过盘电流、环电流以

及收集效率，即可计算出析氧反应的法拉第效率。这种测试方法需要双恒电位仪的支持，以独立控制盘电极

和环电极的电位或电流。

3.3 电合成过程监测

RRDE在电合成研究中也发挥着重要作用。以过氧化氢电合成为例，研究人员利用RRDE筛选具有高电子氧

还原选择性的催化剂。郑州大学的一项研究中，研究人员通过RRDE测试发现，氧化处理的碳纳米管（O-CNTs）

具有较大的环电流和较高的H₂O₂选择性，为后续的气体扩散电极开发提供了依据。

3.4 腐蚀与材料降解研究

除了电催化领域，RRDE还应用于金属腐蚀和聚合物降解研究。近年来发展的“双动态伏安法”（Dual Dynamic 

Voltammetry，DDV）允许同时对盘电极和环电极施加动态电位扫描，为研究腐蚀过程的中间产物和降解

机理提供了新思路。

四、RRDE的技术要点与实验注意事项

要获得可靠的RRDE测试结果，需要注意以下关键技术要点：

电极制备：催化剂墨水（ink）的分散性和涂覆均匀性直接影响测试结果。电极表面催化剂需铺满且均匀，否则

难以达到理论极限电流。

实验条件控制：扫描速率通常选择5-20 mV/s，扫速过低易受表面物种覆盖影响，过高则背景电流干扰增大。

电解液纯度至关重要，尤其是Pt基催化剂对Cl-、SO42-等阴离子特性吸附敏感，推荐使用高氯酸体系。

收集效率校准：虽然收集效率可由几何尺寸计算，但实际使用前建议用标准体系（如铁氰化钾/亚铁氰化钾体系）

进行校准，以确认电极状态正常。

结语

旋转圆盘圆环电极通过精妙的“发生器-收集器”设计和流体动力学控制，为电化学机理研究开辟了独特视角。

从氧还原反应的路径判别到析氧反应的效率评估，从电合成过程监测到腐蚀机理研究，RRDE展现出不可替代的

分析能力。随着双动态伏安法等新技术的不断发展，RRDE在复杂电化学体系研究中的应用前景将更加广阔，为

能源电化学和材料科学的发展持续提供有力支持。