【2026技术分享】旋转圆盘电极的实验操作流程与注意事项

　　旋转圆盘电极是一种通过控制电极旋转速度来研究电化学体系中传质过程(如反应物扩散、产物迁移)的关键工具，广泛应用于电催化(如ORR、HER、OER)、腐蚀科学、电池材料表征及环境电化学等领域。其核心原理是：电极旋转时产生的离心力将电解液推向圆盘边缘，形成稳定的层流(称为“Levich流”)，使扩散层厚度(δ)与旋转角速度(ω)的平方根成反比(δ∝ω−1/2)，从而可通过改变转速定量研究传质对反应速率的影响(如Levitch方程描述极限扩散电流与转速的关系)。
 

　　以下从实验前准备、操作流程、数据处理及注意事项四方面系统说明RDE的实验规范，确保数据的准确性与可重复性。
 

　　一、实验前准备​
 

　　实验前的充分准备是保证结果可靠的前提，需重点完成设备检查、电极预处理、溶液配制与除氧等工作。
 

　　1. 设备与耗材检查​
 

　　旋转圆盘电极系统：
 

　　主机：检查电机运转是否平稳(无异响、振动)，转速范围是否符合需求(通常100~10,000 rpm，高精度型号可达0.1 rpm分辨率)；
 

　　电极夹持器：确认与主机连接牢固，绝缘性良好(避免漏电)，旋转轴与电极杆同轴度偏差≤0.1 mm(防止偏心导致湍流)；
 

　　转速控制器：校准转速显示(如用激光测速仪验证，误差≤±1%)，支持恒转速或程序化变速(如阶跃式或线性扫描)。
 

　　电化学工作站：
 

　　检查仪器接地(接地电阻≤4Ω)，电极接口(工作电极WE、参比电极RE、对电极CE)无氧化或污染；
 

　　校准电流/电压输出(如用标准电阻验证电流精度，误差≤±0.1%；用标准电压源验证电压精度，误差≤±0.5 mV)。
 

　　辅助设备：
 

　　电解池：选择玻璃或聚四氟乙烯材质(耐腐蚀)，容积50~200 mL(避免溶液量过少导致浓度梯度)；
 

　　对电极：常用铂片(面积≥1 cm²)或石墨棒(避免参与反应)，需清洁表面(用硝酸浸泡或砂纸打磨)；
 

　　参比电极：根据体系选择(如Ag/AgCl、饱和甘汞电极SCE、可逆氢电极RHE)，需校准电位(如RHE需通入H₂并校准pH)。
 

　　2. 电极预处理​
 

　　旋转圆盘电极的核心是圆盘电极(如玻碳、金、铂、碳纳米管修饰电极)，其表面状态直接影响传质与反应活性，需严格预处理：
 

　　清洁：
 

　　机械抛光：依次用0.3 μm、0.05 μm氧化铝粉末在麂皮上抛光(圆形轨迹，压力均匀)，直至表面呈镜面(无划痕)；
 

　　超声清洗：在超纯水中超声5~10分钟(功率≤100 W)，去除残留氧化铝颗粒；
 

　　化学活化(可选)：根据体系需求，用稀硝酸(1 M)或硫酸(0.5 M)浸泡1~2分钟(去除表面吸附杂质)，再用超纯水冲洗。
 

　　安装与检查：
 

　　将圆盘电极嵌入电极杆，确保端面与电极杆轴线垂直(偏差≤0.5°)，用扭矩扳手紧固(避免松动导致接触电阻增大)；
 

　　测试开路电位(OCP)：在未旋转状态下，电极浸入溶液后记录OCP稳定值(如玻碳电极在0.1 M H₂SO₄中OCP约为0.2~0.5 V vs. RHE)，若OCP漂移>10 mV/min，需重新清洁电极。
 

　　3. 溶液配制与除氧​
 

　　溶液配制：
 

　　溶剂：使用超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)或分析纯试剂(如H₂SO₄、KOH、磷酸盐缓冲液PBS)；
 

　　溶质：按实验需求配制(如ORR测试用0.1 M HClO₄+5 mM O₂饱和KOH，HER测试用1 M KOH)，浓度误差≤±0.1%；
 

　　除杂：溶液中若含溶解氧(O₂)或杂质离子(如Fe³⁺、Cu²⁺)，需预处理(如O₂干扰电催化反应，需除氧；金属离子可能催化副反应，需超滤或离子交换)。
 

　　除氧：
 

　　惰性气体鼓泡：向溶液中通入高纯N₂或Ar(纯度≥99.999%)30分钟(流速50~100 mL/min)，排除溶解O₂(O₂浓度需<1 ppm，可用溶解氧仪验证)；
 

　　密封保护：实验过程中持续通入惰性气体(通过液面下的气体导管)，避免空气重新溶入。

 

　　二、实验操作流程​
 

　　RDE实验的核心是控制转速与电化学测试的同步性，需严格遵循“系统组装→参数设置→数据采集→结束处理”的流程。
 

　　1. 系统组装​
 

　　电解池安装：将电解池置于电极夹持器下方，确保电极杆垂直插入溶液(插入深度≥1 cm，避免液面波动干扰)；
 

　　电极连接：
 

　　工作电极(WE)：连接圆盘电极的金属杆(如不锈钢或钛合金)；
 

　　参比电极(RE)：靠近圆盘电极(距离≤1 mm，通过鲁金毛细管消除IR降)，用盐桥(如KCl琼脂)隔离溶液(避免污染)；
 

　　对电极(CE)：与WE对称放置(距离≥2 cm，避免对电极反应产物干扰WE)。
 

　　密封与通气：在电解池上方加盖(如聚四氟乙烯盖)，预留气体入口(惰性气体导管)和出口(排气口)，确保气体流向为“入口→液面下→出口”(避免气泡直接冲击电极表面)。
 

　　2. 参数设置​
 

　　旋转参数：
 

　　初始转速：根据实验目标设定(如研究传质影响时，从低转速开始，如100 rpm，逐步增至10,000 rpm)；
 

　　转速模式：恒转速(固定转速测试)或变转速(如阶跃式：100→500→1000 rpm，每个转速稳定5分钟后再测试)；
 

　　加速/减速速率：≤500 rpm/s(避免液体飞溅或电极偏心)。
 

　　电化学测试参数(以循环伏安CV为例)：
 

　　扫描范围：根据反应电位窗口设定(如ORR测试在O₂饱和溶液中扫描-0.8~0.2 V vs. RHE)；
 

　　扫描速率：1~100 mV/s(速率过快可能导致电容电流掩盖法拉第电流，过慢可能引入扩散层不稳定)；
 

　　采样频率：≥10 Hz(确保捕捉快速电流变化)。
 

　　3. 数据采集​
 

　　稳态测试（推荐）：
 

　　固定转速(如1600 rpm)，施加恒定电位(如ORR的-0.4 V vs. RHE)，待电流稳定(波动≤1%持续30秒)后记录电流值；
 

　　改变转速(如200、400、900、1600、2500、3600 rpm)，重复上述步骤，获得不同转速下的稳态电流(i)。
 

　　暂态测试（可选）：
 

　　循环伏安(CV)：在旋转过程中扫描电位，观察氧化还原峰的位置与电流随转速的变化(如峰电流与ω1/2的线性关系)；
 

　　线性扫描伏安(LSV)：从开路电位扫描至目标电位(如-1.0 V vs. RHE)，记录极限电流(ilim​)与转速的关系。
 

　　4. 结束处理​
 

　　停止旋转与断电：先停止电化学工作站(或断开WE连接)，再降低转速至0(避免突然停转导致液体回流冲击电极)；
 

　　电极清洗：取出电极，用超纯水冲洗表面，超声清洗5分钟(去除残留溶液)，干燥后保存(避免污染)；
 

　　数据保存：导出原始数据(电流-电位-时间、转速-时间)，标注实验条件(溶液组成、温度、参比电极类型)，备份至安全路径。
 

　　三、数据处理与分析​
 

　　RDE实验的核心是通过转速与电流的关联，定量分析传质对反应的影响，常用以下方法：
 

　　1. Levich方程分析（极限扩散电流）​
 

　　对于扩散控制的反应(如ORR的极限电流)，Levitch方程描述为：
 

　　ilim​=0.62nFAD2/3ω1/2ν−1/6C
 

　　其中：n为电子转移数，F为法拉第常数(96485 C/mol)，A为电极面积(cm²)，D为扩散系数(cm²/s)，ω为角速度(rad/s，ω=2πN/60，N为转速rpm)，ν为电解液动力粘度(cm²/s)，C为反应物浓度(mol/cm³)。
 

　　通过实验测得不同转速下的ilim​，以ilim​对ω1/2(或N1/2)作图，应得直线，斜率为0.62nFAD2/3ν−1/6C。若斜率已知(D、C已知)，可计算n(电子转移数)；若n已知，可求D(扩散系数)。
 

　　2. Koutecký-Levich（K-L）方程分析（混合控制）​
 

　　若反应受传质与动力学共同控制(非纯扩散控制)，K-L方程为：
 

　　i1​=ik​1​+ilim​1​=ik​1​+0.62nFAD2/3ω1/2ν−1/6C1​
 

　　以1/i对ω−1/2作图，截距为1/ik​(ik​为动力学电流)，斜率为1/(0.62nFAD2/3ν−1/6C)。通过截距可求动力学参数(如交换电流密度j0​)。
 

　　3. 电子转移数（n）计算​
 

　　对于ORR等反应，通过不同转速下的K-L曲线截距(1/ik​)随电位的变化，结合Tafel斜率可估算n(如ORR在0.1 M HClO₄中，n=4(4e⁻还原至H₂O)或n=2(2e⁻还原至H₂O₂))。
 

　　四、注意事项​
 

　　1. 电极与溶液的匹配性​
 

　　电极材料需与溶液兼容(如强酸性溶液中避免使用铝电极，强碱性溶液中避免使用锌电极)；
 

　　圆盘电极的面积需准确测量(如用显微镜测量直径，计算A=πr2)，误差≤±1%(否则影响Levitch斜率计算)。
 

　　2. 传质与流场控制​
 

　　转速需足够高(通常≥100 rpm)以确保层流(雷诺数Re=ωr2/ν≤105)，避免湍流(导致扩散层厚度不均)；
 

　　电极表面需与溶液充分接触(无气泡附着)，若气泡残留，需轻敲电极或通N₂鼓泡去除(气泡会改变局部传质)。
 

　　3. 干扰因素排除​
 

　　IR降：参比电极需靠近工作电极(≤1 mm)，或使用鲁金毛细管(内充相同溶液)，必要时进行IR补偿(如电化学工作站的iR补偿功能)；
 

　　温度控制：实验温度需恒定(±0.5℃)，因ν(粘度)和D(扩散系数)与温度相关(温度升高，ν降低，D增大)；
 

　　杂质干扰：溶液需新鲜配制(避免微生物或金属离子污染)，实验前用空白溶液(不含反应物)测试背景电流(如双电层电容)，扣除背景后分析。
 

　　4. 安全操作​
 

　　强酸/强碱溶液需戴耐酸碱手套，避免接触皮肤；
 

　　高转速(>5000 rpm)时，电解池需固定(避免液体飞溅)，操作人员远离旋转部件；
 

　　惰性气体(如N₂)泄漏可能导致缺氧，实验需在通风橱中进行。
 

　　总结​
 

　　旋转圆盘电极实验的核心是通过控制转速调控传质，结合电化学测试定量分析反应机理。操作流程需严格规范设备检查、电极预处理、溶液除氧及数据采集，注意事项涵盖电极匹配、流场控制、干扰排除与安全操作。通过Levitch或K-L方程分析，可获取电子转移数、扩散系数、动力学电流等关键参数，为电催化材料设计、腐蚀机制研究及电池性能优化提供重要依据。