旋转环盘电极（RRDE）使用指南：从准备到数据分析

旋转环盘电极（RRDE）是电化学机理研究的利器，但要获得可靠的数据，正确的操作流程至关重要。本文将

为您详细拆解RRDE的完整使用步骤，涵盖实验准备、参数设置、测试执行和数据处理，助您快速上手。

一、实验前的准备工作

1.1 电极的物理处理

RRDE对表面状态极为敏感，实验前必须进行彻底处理：

机械抛光：使用Al₂O₃抛光粉（通常从1.0 μm到0.05 μm逐级递减）在麂皮抛光布上画“8”字打磨。盘电极

应打磨至镜面无划痕，环电极保持光亮。

清洗：依次在去离子水、乙醇或丙酮中超声清洗3-5分钟，去除残留抛光粉。

干燥：用高纯氮气轻轻吹干，切勿擦拭以免引入污染。

1.2 收集效率的校准

虽然收集效率（N）可由几何尺寸计算，但建议实验前用标准体系验证：

标准体系：常用5 mM铁氰化钾K₃[Fe(CN)₆] + 0.1 M KCl溶液。

测试方法：盘电极施加扫描电位（如0.5 V → -0.1 V vs. SCE），环电极恒定电位（如0.5 V）氧化盘产生

的亚铁氰化物。

计算：读取极限盘电流（I_D）和环电流（I_R），收集效率 N = I_R / I_D。实测值应与理论值（通常0.2-0.4）

接近，若偏差过大需检查电极状态。

1.3 溶液准备

电解质：使用高纯度试剂配制，避免Cl⁻、SO₄²⁻等特性吸附阴离子干扰（推荐HClO₄或KOH）。

除氧：通高纯N₂或Ar 15-20分钟去除溶解氧，对于氧还原反应（ORR）测试则需通O₂饱和。

温度控制：使用恒温水浴维持稳定温度（通常25°C）。

二、仪器连接与参数设置

2.1 硬件连接

RRDE需要双恒电位仪独立控制盘和环：

工作电极1连接盘电极

工作电极2连接环电极

参比电极（如Ag/AgCl或可逆氢电极RHE）和辅助电极（铂丝或碳棒）共用

2.2 软件参数设置

以常见ORR机理测试为例：

盘电极设置：线性扫描伏安（LSV），电位范围通常0.2 V → 1.1 V vs. RHE（正向或负向扫描视需求而定），

扫描速率5-20 mV/s（推荐10 mV/s）。

环电极设置：恒电位模式，设定值为氧化中间产物的电位。例如检测H₂O₂时，环电位恒定为1.2 V vs. RHE（使H₂O₂氧化）。

转速设置：设定旋转速度，常用400-2500 rpm。建议从高速到低速扫描，或逐个转速进行测试。

三、RRDE测试执行步骤

3.1 预扫描与电极稳定

在静止溶液中，先对盘电极进行几圈循环伏安（CV）扫描（覆盖测试电位范围），使电极表面达到稳定状态。

观察CV曲线是否重合，确认无污染或异常。

3.2 不同转速下的LSV测试

设定第一个转速（如1600 rpm），待转速稳定（通常需5-10秒）。

同时启动盘电极的LSV扫描和环电极的恒电位记录。

记录盘电流（I_D）和环电流（I_R）随盘电位的变化曲线。

改变转速（如400、900、1600、2500 rpm），重复上述步骤。

3.3 背景电流扣除（关键步骤）

在相同转速下，于惰性气氛（N₂）中重复上述LSV扫描，记录背景电流（包括电容电流和可能的杂质电流）。

将O₂气氛下的测试数据减去对应转速下的N₂背景数据，得到纯法拉第电流。

四、数据处理与关键参数计算

4.1 电子转移数（n）计算

从盘电流计算表观电子转移数，可用Koutecký-Levich（K-L）方程：

 其中B与电子转移数n相关，通过不同转速下的截距可求得I_k和n。

4.2 过氧化氢产率计算

RRDE最独特的优势是定量检测副产物H₂O₂：

电子转移数也可由环盘数据直接计算：

其中N为收集效率，I_R为环电流（取绝对值）。

4.3 数据的解读要点

低H₂O₂产率（<5%）：表明反应主要遵循4电子路径，直接生成H₂O，催化剂选择性高。

高H₂O₂产率：提示2电子路径主导，产生H₂O₂中间体，可能造成催化剂腐蚀。

环电流起始电位与盘电流起始电位的对应关系：可推断中间产物生成与总反应的关系。

五、常见问题与注意事项

5.1 实验中的常见问题

环电流异常低：检查环电位设置是否正确；电极是否污染；收集效率是否校准。

盘电流不稳定：检查旋转是否平稳（有无偏心）；溶液是否充分除氧；电极表面有无气泡。

漏液或绝缘不良：检查绝缘层（PEEK或PTFE）有无损坏，密封圈是否老化。

5.2 实验后维护

立即取出电极，用去离子水冲洗干净。

不可将电极长时间浸泡在溶液中（尤其是含卤素离子的溶液）。

存放前清洁并干燥，盘面可涂少量真空脂保护。

结语

掌握RRDE的正确使用方法，需要从电极处理、参数设置到数据处理的每一个环节都严格把关。虽然操作比

RDE复杂，但RRDE提供的机理信息是其他方法难以替代的。通过系统的实验设计和规范的操作，您将能充分

发挥RRDE的强大功能，深入探索电化学反应的本质。