旋转圆环电极(RRDE)是一种由
中心圆盘电极和
外围圆环电极组成的复合电极系统，其核心结构与功能如下：
1. 核心结构
RRDE由两个关键部分构成：
中心圆盘电极（Disk Electrode）：位于电极系统的中心位置，通常是工作电极(Working Electrode)，用于发生目标电化学反应(如物质的氧化或还原)。
外围圆环电极（Ring Electrode）：围绕圆盘电极的环形区域，作为辅助电极(通常为对电极和参比电极的组合或独立设计)，用于捕获从圆盘电极扩散过来的中间产物或副产物。
两电极之间通过绝缘材料(如聚四氟乙烯或其他高分子材料)隔离，确保圆盘和环的电势可独立控制。此外，整个电极系统安装在可精确调控转速的旋转装置上(如电机驱动的转轴)，使电解液在离心力作用下形成稳定的流动层。
2. 核心功能
RRDE的核心功能是通过旋转驱动电解液流动，实现圆盘电极反应与环电极检测的协同，从而研究电化学反应的机理和中间产物。具体功能包括：
(1)圆盘电极：目标反应的发生场所
圆盘电极作为工作电极，施加特定的电势(通过电化学工作站控制)，驱动目标物质的氧化或还原反应。例如：
在氧还原反应(ORR)研究中，圆盘电极上可能发生O₂还原为H₂O(四电子路径)或H₂O₂(二电子路径)；
在甲醇氧化反应(MOR)中，圆盘电极上甲醇被氧化为CO₂或中间产物(如CO、甲酸等)。
(2)圆环电极：中间产物的捕获与检测
圆环电极的电势被设置为特定值，使其能够选择性氧化或还原从圆盘电极扩散过来的中间产物。例如：
若圆盘电极生成H₂O₂(ORR的副产物)，环电极可设置为H₂O₂的氧化电势(如+0.6~+0.8 V vs. RHE)，将其氧化为O₂并产生环电流；
若圆盘电极生成CO(MOR的中间产物)，环电极可设置为CO的氧化电势(如+0.8~+1.0 V vs. RHE)，将其氧化为CO₂并产生环电流。
(3)旋转驱动：强化传质与产物扩散
旋转装置通过电机驱动电极以恒定转速(RPM，转/分钟)旋转，利用离心力将电解液从圆盘表面甩向外围，并形成层流流动(Laminar Flow)。这种流动模式具有以下作用：
促进物质传输：电解液快速从圆盘表面向环电极方向移动，使圆盘反应生成的中间产物能高效扩散至环电极区域；
避免局部浓度梯度：层流流动可减少湍流干扰，确保中间产物在圆盘-环之间的分布相对均匀，提高检测的重复性和准确性；
控制传质速率：旋转速率(RPM)直接影响电解液流速，进而调控中间产物到达环电极的效率(通过收集系数N定量描述)。
3. 结构与功能的协同关系
RRDE的结构设计(圆盘+环+旋转)与其功能紧密关联：
圆盘与环的空间隔离：绝缘层确保两者电势独立，避免相互干扰，使圆盘反应和环检测可同步进行；
旋转驱动的流体力学特性：离心力驱动的层流流动是中间产物从圆盘向环高效扩散的关键，直接影响收集系数N(通常为20%~40%，取决于电极几何尺寸和转速)；
多参数可控性：通过独立调节圆盘电势、环电势和旋转速率，可系统研究反应机理(如区分不同路径的产物比例)、中间产物生成动力学及催化剂选择性。
总结
RRDE的核心结构(圆盘+环+旋转)与功能(目标反应发生+中间产物捕获+传质强化)共同构成了研究电化学反应机理的强大工具，尤其适用于需要追踪中间产物或区分多电子路径的复杂反应体系(如燃料电池中的氧还原、电解水中的析氧反应等)。
更新时间：2025-07-23
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