RRDE旋转环盘电极的制备工艺及其对传质效率的提升机制

更新时间：2025-07-15 点击次数：18

　　RRDE旋转环盘电极是电化学研究中的关键工具，广泛应用于氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)及中间产物检测等领域。其性能高度依赖于制备工艺，而工艺优化直接影响传质效率、电流分布及数据可靠性。本文从材料选择、结构设计及表面处理三方面探讨RRDE的制备工艺及其对传质效率的提升机制。

　　一、材料选择：基底与修饰层的协同优化

　　RRDE的核心部件包括盘电极和环电极，其材料需兼顾导电性、化学稳定性和机械强度。常用基底为玻碳(GC)或铂(Pt)，其中玻碳因其低成本和高电导率成为主流选择。为进一步提升性能，常采用复合修饰层：

　　1.导电层：在玻碳表面溅射纳米金或铂颗粒，降低接触电阻，增强电子传输速率；

　　2.催化层：负载过渡金属氧化物(如MnO₂)或贵金属纳米颗粒(如Pt/C)，优化反应动力学；

　　3.保护层：通过原子层沉积(ALD)制备Al₂O₃或SiO₂薄膜，防止电解液腐蚀基底。

　　材料选择需平衡导电性、催化活性与耐久性，例如Pt基材料虽活性高但成本昂贵，而MnO₂修饰的玻碳电极在碱性体系中表现出优异的性价比。

　　二、结构设计：几何参数对传质效率的影响

　　RRDE的传质效率直接受盘环间距、电极直径及旋转速率影响。关键结构优化包括：

　　1.盘环间距控制：间距过小易导致电流干扰，过大则降低环对中间产物的捕获效率。研究表明，间距为0.5~1.0 mm时，传质效率与信号分辨率达到最佳平衡；

　　2.流道结构优化：在电极背面设计微流道或蜂窝状凹槽，通过离心力增强电解液流动，减少扩散层厚度；

　　3.三维多孔结构：采用激光刻蚀或电化学蚀刻在盘电极表面构建多孔阵列，增大比表面积，加速反应物传质。

　　数值模拟(如COMSOL多物理场建模)可辅助优化几何参数，预测电解液流速与电流密度分布。

　　三、表面处理：粗糙度与润湿性的调控

　　表面特性显著影响电解液润湿性与反应物吸附行为：

　　1.粗糙度控制：通过电化学抛光(Ra<0.1μm)或模板法构建微纳结构，降低传质边界层厚度；

　　2.超疏水/亲水修饰：在环电极表面修饰氟化聚合物(如PTFE)以排斥电解液，而盘电极采用亲水涂层(如TiO₂纳米管)，促进电解液渗透；

　　3.动态自清洁效应：利用旋转产生的剪切力剥离表面气泡或沉积物，避免活性位点堵塞。

　　实验表明，经亲水处理的盘电极可使传质效率提升30%以上，尤其在低转速(<500 rpm)条件下效果好。

　　RRDE旋转环盘电极的制备工艺需多学科协同优化，从材料选择到结构设计均需以传质效率为核心目标。未来发展方向包括：

　　1.开发低成本、高耐久的复合材料基底；

　　2.结合3D打印技术实现复杂流道结构一体化成型；

　　3.引入原位表征技术(如电化学显微镜)实时监测传质过程。

　　通过工艺创新，RRDE将在电催化机理研究和工业催化剂筛选中发挥更重要作用。