旋转圆盘电极（Rotating Disk Electrode, RDE）和旋转环盘电极（Rotating Ring-Disk Electrode, RRDE）是电化学研究中常用的两种动态电极技术，用于研究电极反应动力学、传质过程和反应机理。以下是它们的详细介绍和区别：

1. 旋转圆盘电极（RDE）

结构与原理

• 结构：由一个圆盘形的工作电极（通常为玻碳、铂、金等材料）固定在旋转轴上，电极表面与旋转轴垂直。

• 原理：通过电机控制电极高速旋转，使溶液在电极表面产生强制对流（层流流动），反应物通过扩散层（厚度由旋转速度控制）传输到电极表面。

特点与优势

• 传质速率可控：旋转速度（ω）通过Levich方程与扩散电流（${�}_{�}$）关联：

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

  其中，$�$为电子转移数，$�$为法拉第常数，$�$为电极面积，$�$为扩散系数，$�$为动力学粘度，$�$为反应物浓度。

• 稳态电流：旋转消除浓度极化，获得稳态电流信号。

• 应用：

• 测定反应速率常数（如氧还原反应ORR、氢析出反应HER）。

• 研究电催化活性、传质限制反应。

局限性

• 无法区分中间产物或并行反应。

2. 旋转环盘电极（RRDE）

结构与原理

• 结构：在RDE的基础上增加一个同心环形电极（环与盘之间由绝缘层隔开），盘电极发生反应生成的中间产物可被旋转流体带到环电极上检测。

• 原理：盘电极上发生的反应产物（如中间体）通过流体对流扩散到环电极，环电极施加恒定电位以检测这些产物的氧化或还原电流。

特点与优势

• 检测中间产物：通过盘和环的电流比（收集效率$�$）定量分析中间体。收集效率与几何结构相关：

  $$�=-\frac{{�}_{\text{ring}}}{{�}_{\text{disk}}}$$

• 区分反应路径：例如氧还原反应中可区分生成H₂O₂（2电子路径）或H₂O（4电子路径）。

• 应用：

• 研究反应机理（如催化剂选择性）。

• 检测不稳定中间体（如自由基、过氧化物）。

局限性

• 结构复杂，需精确校准收集效率。

• 环电极电位需独立控制。

3. 关键区别

4. 应用场景

• RDE：适合简单体系的动力学分析（如Tafel斜率测定）、电催化剂本征活性比较。

• RRDE：适合复杂反应机理研究，例如：

• 燃料电池中氧还原反应的H₂O₂产率。

• 电合成中中间体的捕获与鉴定。

5. 注意事项

• 旋转速度校准：需确保转速与理论值一致。

• 溶液脱氧：避免溶解氧干扰（尤其对ORR研究）。

• 收集效率校准：RRDE需通过标准体系（如Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻）测定$�$。

通过合理选择RDE或RRDE，可以深入探究电极反应的动力学和机理，是电化学研究和催化剂开发的重要工具。

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