电化学旋转圆盘电极(RDE)：原理、应用与实验指南

　　电化学旋转圆盘电极(RotatingDiskElectrode，简称RDE)是现代电化学研究中至关重要的动力学测试工具。它通过

精确控制电极表面的传质过程，使研究人员能够分离并量化电化学反应中的本征动力学参数，被誉为电催化研究和材料

评估的“黄金标准”。无论是在燃料电池、电池、电解水，还是环境监测领域，RDE都发挥着不可替代的作用。

　　一、RDE的核心工作原理：控制传质

　　RDE的设计精髓在于其能够建立一个稳定、可控的流体动力学边界层。当圆盘电极围绕其中心轴匀速旋转时，溶液

被泵向电极表面，随后沿径向抛出。这种运动形成了层流状态，使得反应物向电极表面的传质（对流和扩散）变得高度

可预测和可量化。

　　这一过程的核心理论是Levich方程，它描述了极限扩散电流(i_lim)与转速(ω)之间的关系：

　　i_lim=0.62nFAD^2/3ν^-1/6ω^1/2C

　　其中，n为电子转移数，F为法拉第常数，A为电极面积，D为扩散系数，ν为溶液动力粘度，C为反应物本体浓度。

该方程表明，极限电流与转速的平方根成正比。这是RDE实现定量分析的基础。

　　二、RDE的核心功能与主要应用场景

　　1.评估电催化剂的本征活性

　　这是RDE最广泛的应用。在能源转换领域（如燃料电池的氧还原反应、电解水的析氧/析氢反应），评估催化剂的

性能必须排除传质干扰。

　　关键测试：通过在不同转速下进行循环伏安或线性扫描伏安测试，获得一系列极化曲线。

　　数据分析：利用Koutecky-Levich方程1/i=1/i_k+1/(Bω^1/2)作图，可从截距得到动力

学电流(i_k)，进而计算转换频率、比活性等关键参数，实现不同催化剂间的公平比较。

　　2.研究电化学反应机理

　　RDE，特别是其升级版——旋转环盘电极，是探究复杂反应路径的利器。

　　RRDE：在中心圆盘外围加装一个同心环电极。圆盘上生成的中间产物（如氧还原反应中的H₂O<sub>

2</sub>）被对流输送到环电极上并被检测。

　　功能：直接量化反应的选择性（如ORR的四电子vs.两电子路径）和中间产物的产率，为催化剂设计提供明确指导。

　　3.精确的电分析化学

　　通过增强和稳定传质，RDE显著提高了电分析的重现性和灵敏度。

　　优势：持续更新的电极表面减少了钝化和污染；增大的极限电流降低了检测限。

　　应用：痕量金属离子检测、生物传感器开发、环境污染物监测等。

　　4.电沉积与腐蚀研究

　　电沉积：RDE提供均匀的传质条件，有助于研究沉积动力学和获得均匀的沉积层。

　　腐蚀科学：可模拟不同流速环境，研究流体动力学对金属腐蚀速率和机理的影响。

　　三、RDE实验操作的关键步骤与技巧

　　要获得可靠、可重现的RDE数据，必须遵循严格的实验流程：

　　电极准备：

　　表面抛光：使用不同粒度的氧化铝抛光粉（如1.0μm，0.3μm，0.05μm）逐级将工作电极（常为玻碳、铂、金电极）

抛光至镜面光洁。划痕会破坏层流，影响结果。

　　超声清洗：每次抛光后，在超纯水或乙醇中超声清洗，彻底去除抛光颗粒。

　　电化学活化/清洁：在测试前，于空白电解质中进行循环伏安扫描，直至获得稳定、特征的CV曲线。

　　实验设置：

　　电解池三电极系统：RDE为工作电极，搭配对电极（常为铂丝）和参比电极（如Ag/AgCl,Hg/HgO）。

　　脱氧：对于氧敏感反应（如ORR、HER），必须通入高纯惰性气体（如N₂,Ar）至少20-30分钟以

去除溶解氧，测试过程中保持液面惰气保护。

　　支持电解质：浓度需足够高（通常≥0.1M），以最小化反应离子的迁移效应。

　　测试与数据采集：

　　转速选择：通常选择一个转速范围（如400,900,1600,2500rpm），涵盖传质控制区和混合控制区。

　　扫描速率：使用相对较慢的扫描速率（如5-10mV/s），以确保准稳态条件。

　　数据分析要点：

　　确保不同转速下的极化曲线形状一致。

　　进行IR补偿（溶液电阻引起的电压降补偿），尤其是在高电流和高电阻体系中。

　　使用Koutecky-Levich图进行线性拟合，评估数据的质量和一致性。

　　四、RDE技术的优势与局限性

　　优势：

　　传质精确可控：核心优势，可将动力学与传质效应分离。

　　高重现性：标准化的流体动力学条件保证了实验结果的高重复性。

　　减少表面污染：持续对流有助于保持电极表面活性。

　　理论完善：有坚实的流体动力学和电化学理论支撑，可进行定量分析。

　　局限性：

　　表面要求苛刻：电极表面必须完美光滑，制备繁琐。

　　非稳态过程研究受限：更适合研究稳态或准稳态过程。

　　不适用于复杂界面：对涉及气体扩散层的多孔电极模拟能力有限。

　　仪器成本：高质量的RDE旋转器和控制系统价格昂贵。

　　结论

　　电化学旋转圆盘电极远不止是一个简单的旋转装置，它是连接微观反应机理与宏观性能表现的桥梁。通过将

复杂的传质过程简化为一个可控变量，RDE使电化学家能够像在“光学显微镜”下观察一样，清晰地解析电极

反应的“筋骨”——本征动力学。随着清洁能源和电化学技术的飞速发展，对高性能电催化材料的需求愈发迫切，

熟练掌握和运用RDE技术已成为相关领域研究者必备的核心技能。从基础研究到工业应用的催化剂筛选，RDE都将

继续作为电化学领域最可靠、最重要的定量分析工具之一，推动科学发现与技术革新。