RRDE旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極是電化學(xué)研究中的關(guān)鍵工具，廣泛應(yīng)用于氧還原反應(yīng)(ORR)、析氫反應(yīng)(HER)及中間產(chǎn)物檢測(cè)等領(lǐng)域。其性能高度依賴于制備工藝，而工藝優(yōu)化直接影響傳質(zhì)效率、電流分布及數(shù)據(jù)可靠性。本文從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面處理三方面探討RRDE的制備工藝及其對(duì)傳質(zhì)效率的提升機(jī)制。
?一、材料選擇：基底與修飾層的協(xié)同優(yōu)化
RRDE的核心部件包括盤電極和環(huán)電極，其材料需兼顧導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。常用基底為玻碳(GC)或鉑(Pt)，其中玻碳因其低成本和高電導(dǎo)率成為主流選擇。為進(jìn)一步提升性能，常采用復(fù)合修飾層：
1.?導(dǎo)電層：在玻碳表面濺射納米金或鉑顆粒，降低接觸電阻，增強(qiáng)電子傳輸速率；
2.?催化層：負(fù)載過渡金屬氧化物(如MnO?)或貴金屬納米顆粒(如Pt/C)，優(yōu)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；
?3.保護(hù)層：通過原子層沉積(ALD)制備Al?O?或SiO?薄膜，防止電解液腐蝕基底。
材料選擇需平衡導(dǎo)電性、催化活性與耐久性，例如Pt基材料雖活性高但成本昂貴，而MnO?修飾的玻碳電極在堿性體系中表現(xiàn)出優(yōu)異的性價(jià)比。
?二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：幾何參數(shù)對(duì)傳質(zhì)效率的影響
RRDE的傳質(zhì)效率直接受盤環(huán)間距、電極直徑及旋轉(zhuǎn)速率影響。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：
?1.盤環(huán)間距控制：間距過小易導(dǎo)致電流干擾，過大則降低環(huán)對(duì)中間產(chǎn)物的捕獲效率。研究表明，間距為0.5~1.0 mm時(shí)，傳質(zhì)效率與信號(hào)分辨率達(dá)到最佳平衡；
?2.流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在電極背面設(shè)計(jì)微流道或蜂窩狀凹槽，通過離心力增強(qiáng)電解液流動(dòng)，減少擴(kuò)散層厚度；
?3.三維多孔結(jié)構(gòu)：采用激光刻蝕或電化學(xué)蝕刻在盤電極表面構(gòu)建多孔陣列，增大比表面積，加速反應(yīng)物傳質(zhì)。
數(shù)值模擬(如COMSOL多物理場(chǎng)建模)可輔助優(yōu)化幾何參數(shù)，預(yù)測(cè)電解液流速與電流密度分布。
?三、表面處理：粗糙度與潤(rùn)濕性的調(diào)控
表面特性顯著影響電解液潤(rùn)濕性與反應(yīng)物吸附行為：
?1.粗糙度控制：通過電化學(xué)拋光(Ra<0.1μm)或模板法構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)，降低傳質(zhì)邊界層厚度；
2.?超疏水/親水修飾：在環(huán)電極表面修飾氟化聚合物(如PTFE)以排斥電解液，而盤電極采用親水涂層(如TiO?納米管)，促進(jìn)電解液滲透；
3.?動(dòng)態(tài)自清潔效應(yīng)：利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力剝離表面氣泡或沉積物，避免活性位點(diǎn)堵塞。
實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)親水處理的盤電極可使傳質(zhì)效率提升30%以上，尤其在低轉(zhuǎn)速(<500 rpm)條件下效果好。
RRDE旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極的制備工藝需多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化，從材料選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均需以傳質(zhì)效率為核心目標(biāo)。未來發(fā)展方向包括：
1.開發(fā)低成本、高耐久的復(fù)合材料基底；
2.結(jié)合3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)一體化成型；
3.引入原位表征技術(shù)(如電化學(xué)顯微鏡)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳質(zhì)過程。
通過工藝創(chuàng)新，RRDE將在電催化機(jī)理研究和工業(yè)催化劑篩選中發(fā)揮更重要作用。
微信公眾號(hào)
訪問手機(jī)端
