旋转圆盘电极（Rotating Disk Electrode, RDE）是一种电化学测试装置，通过电极的旋转控制溶液传

质过程，用于研究电极反应动力学和传质特性。其核心原理基于流体力学与电化学的结合，以下是详细解析：

       1. 基本结构与组成

• 旋转电极：
         通常由惰性金属（如Pt、Au）或碳材料制成圆盘（直径2-10mm），嵌入绝缘材料（如聚四氟乙烯）中，通

• 过电机驱动旋转（转速可调，通常50–9999 rpm）。

• 电解池系统：
  包含对电极（辅助电极）、参比电极（如Ag/AgCl）和电解液，电极表面与溶液接触形成三电极体系。

• 旋转控制模块：
  精密电机通过轴连接电极，确保旋转稳定且无振动，转速误差<±1%。

       2. 工作原理

(1) 强制对流传质控制

• 层流边界层形成：
  电极旋转时，带动附近液体运动，形成三层流体结构：

• 湍流区（远离电极）：溶液充分混合。

• 过渡区：流速逐渐降低。

• 扩散层（紧贴电极表面，厚度δ）：流速趋近于零，反应物仅靠扩散到达电极表面（传质控制步骤）。

• 扩散层厚度公式：

  $$�=1.61\cdot {�}^{1\mathrm{/}3}\cdot {�}^{1\mathrm{/}6}\cdot {�}^{-1\mathrm{/}2}$$

• $�$：反应物扩散系数（cm²/s）

• $�$：溶液动力粘度（cm²/s）

• $�$：旋转角速度（rad/s，$�=2��\mathrm{/}60$，$�$为转速rpm）
  转速↑ → δ↓ → 传质速率↑。

(2) 稳态电流响应

• 极限扩散电流（${�}_{\text{lim}}$）：
  当电极反应速率远快于传质速率时，电流仅由反应物扩散决定：

  $${�}_{\text{lim}}=�����\mathrm{/}�=0.62����{�}^{2\mathrm{/}3}{�}^{-1\mathrm{/}6}{�}^{1\mathrm{/}2}$$

• $�$：电子转移数

• $�$：法拉第常数

• $�$：电极面积

• $�$：反应物本体浓度
  Levich方程表明，${�}_{\text{lim}}\propto {�}^{1\mathrm{/}2}$，通过拟合直线斜率可求$�$或$�$。

(3) 动力学与传质分离

• Koutecký-Levich方程：
  若反应受动力学与传质共同控制，总电流倒数分解为：

  $$\frac{1}{�}=\frac{1}{{�}_{\text{kin}}}+\frac{1}{{�}_{\text{lim}}}$$

• ${�}_{\text{kin}}$：动力学电流（与转速无关，反映本征催化活性）。
  通过不同转速下的${�}^{-1}$-${�}^{-1\mathrm{/}2}$作图，可分离动力学参数（如交换电流密度${�}_0$）与传质贡献。

       3. 关键优势

• 定量控制传质：
  旋转速度精确调控扩散层厚度，排除传质干扰，直接研究电极反应动力学。

• 均匀电流分布：
  圆盘几何对称性确保电流密度均一，避免边缘效应（对比静止电极）。

• 拓展应用：
  结合旋转环盘电极（RRDE）可检测中间产物（如OER中的H₂O₂）。

       4. 典型应用场景

• 氧还原反应（ORR）：
  评估燃料电池催化剂活性，通过${�}_{\text{lim}}$计算电子转移数（$�=4$为理想4电子路径）。

• 腐蚀研究：
  模拟流动环境中金属的腐蚀速率。

• 电合成与电池材料：
  研究锂离子电池电极材料的扩散系数（如Li⁺在LiCoO₂中的$�$）。

       5. 操作注意事项

• 转速校准：
  需定期校验转速与实际值的一致性（如激光测速仪）。

• 表面平整度：
  电极表面需抛光至镜面（如0.05μm氧化铝抛光粉），避免湍流扰动。

• 溶液除氧：
  对氧敏感反应（如ORR），需通入N₂/Ar除氧。

       6. 与旋转环盘电极（RRDE）对比

       旋转圆盘电极通过精确的流体力学设计，将复杂的电化学过程简化为可控的传质-动力学模型，是电化学

研究中不可或缺的工具。