电化学催化剂测试是推动能源转换技术（如燃料电池、电解槽）的核心。本文介绍旋转圆盘电极（RDE）、

旋转环盘电极（RRDE）、气体扩散电极（GDE）和膜电极组件（MEA）组成的梯级研发工具链，阐释其在

催化剂活性、反应机理及高性能验证中的关键作用。通过剖析各工具的原理与应用场景，为电化学研究与

产业化提供高效指南。

　　PART1

　　旋转圆盘电极（RDE）

　　原理：RDE通过电极旋转产生强制对流，控制扩散层厚度（δ），从而量化电化学反应动力学参数

（如电子转移数、速率常数）。

　　核心方程（Levich方程）：

　　·il：极限扩散电流

　　·ω：转速(rpm)

　　·δ=1.61D1/3ω-1/2υ1/6：扩散层厚度

　　关键特点：

　　a.适用于液相环境（如溶解O2的酸性电解液）。

　　b.电流密度低（<10mAcm-2），受限于溶解氧传质。

　　结构示意图

　　RDE由旋转盘电极（工作电极）、对电极和参比电极组成，通过电机控制转速。

　　PART2

　　旋转环盘电极（RRDE）

　　原理：RRDE在RDE基础上增加环电极，用于检测盘电极反应生成的中间产物（如H2O2）。

　　核心参数：

　　1)收集效率(N)

　　iR:环电流iD:盘电流

　　2)H2O2产率计算

　　关键特点：

　　a.用于分析反应路径（如ORR的2e-或4e-过程）。

　　b.需校准环电极的收集效率（通常N≈0.2–0.4）。

　　结构示意图

　　RRDE的环电极（红色）包围盘电极（蓝色），中间由绝缘层隔开。

　　PART3

　　气体扩散电极（GDE）

　　原理：GDE通过气-液-固三相界面直接向催化剂层供给气体（如O2），避免RDE的溶解氧限制，实现高电流

密度（>100mAcm-2）。

　　核心优势：

　　a.传质速率接近真实燃料电池（气相扩散>>液相扩散）。

　　b.可测试高负载催化剂层（如0.2–0.5mgcm-2）。

　　关键特点：

　　a.需控制气体压力、湿度、电解液浓度。

　　b.适用于CO2还原（CO₂RR）、ORR、OER等反应。

　　GDE由气体扩散层（GDL）、催化剂层和电解液组成，气体直接通过多孔GDL传输。

　　PART4

　　膜电极组件（MEA）

　　原理：MEA是燃料电池/电解槽的核心工作单元，由阳极/阴极催化层、质子交换膜（PEM）、气体

扩散层（GDL）组成，通入H2和O2/空气后发生电化学反应。

　　核心优势：

　　·极化曲线：评估全电池性能（电压vs.电流密度）。

　　·阻抗谱：分析质子传导、传质阻力。

　　关键特点：

　　·电流密度高（1–4Acm-2），完全模拟真实工况。

　　·测试成本高，需优化催化剂层结构、膜湿度、流场设计。

　　MEA的催化层夹在PEM和GDL之间，气体通过流场板供给。

　　从严格意义上讲，RDE、GDE、RRDE、MEA并非完全并列关系，而是根据研究目标和测试环境的

不同，在电化学和燃料电池领域形成的互补性技术体系。它们的核心差异体现在测试原理、应用场景和

数据意义上。以下从模块化角度分析它们的关系

　　从测试原理看：是否属于同一层级？

　　结论：

　　RDE和RRDE属于同一类（旋转电极技术），用于基础电化学研究。

　　GDE是介于RDE和MEA之间的过渡技术，部分模拟真实工况。

　　MEA是独立的全电池测试体系，与前三者不属于同一层级。

　　从模块功能看：互补还是竞争？

　　基础研究vs应用研究

　　a.RDE/RRDE侧重于机理研究，属于基础科学工具。

　　b.GDE是实验室到应用的桥梁，填补了RDE和MEA之间的空白。

　　c.MEA是最终性能验证，与前三种方法形成研发链条，而非竞争关系。

　　3.从研发流程看：如何协同使用？

　　1)RDE/RRDE：

　　a.快速筛选催化剂活性（如ORR质量活性）。

　　b.分析反应路径（如2e-vs.4e-ORR）。

　　2)GDE：

　　a.验证高电流密度下的性能（避免RDE的传质限制）。

　　b.优化催化剂层结构（如离聚物含量）。

　　3)MEA：

　　a.评估全电池的耐久性、效率、成本。

　　b.指导实际燃料电池堆设计。

　　结论

　　a.若研究基础电化学，优先选择RDE/RRDE。

　　b.若研究接近实际应用的催化剂性能，选择GDE。

　　c.若研究燃料电池/电解槽整体性能，必须使用MEA。

　　它们的关系更像是“梯级研发工具”，而非简单的并列选项。