RRDE旋轉環盤電極的制備工藝及其對傳質效率的提升機制

更新時間：2025-07-15 點擊次數：309

　　RRDE旋轉環盤電極是電化學研究中的關鍵工具，廣泛應用于氧還原反應(ORR)、析氫反應(HER)及中間產物檢測等領域。其性能高度依賴于制備工藝，而工藝優化直接影響傳質效率、電流分布及數據可靠性。本文從材料選擇、結構設計及表面處理三方面探討RRDE的制備工藝及其對傳質效率的提升機制。

　　?一、材料選擇：基底與修飾層的協同優化

　　RRDE的核心部件包括盤電極和環電極，其材料需兼顧導電性、化學穩定性和機械強度。常用基底為玻碳(GC)或鉑(Pt)，其中玻碳因其低成本和高電導率成為主流選擇。為進一步提升性能，常采用復合修飾層：

　　1.?導電層：在玻碳表面濺射納米金或鉑顆粒，降低接觸電阻，增強電子傳輸速率；

　　2.?催化層：負載過渡金屬氧化物(如MnO?)或貴金屬納米顆粒(如Pt/C)，優化反應動力學；

　　?3.保護層：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出優異的性價比。

　　?二、結構設計：幾何參數對傳質效率的影響

　　RRDE的傳質效率直接受盤環間距、電極直徑及旋轉速率影響。關鍵結構優化包括：

　　?1.盤環間距控制：間距過小易導致電流干擾，過大則降低環對中間產物的捕獲效率。研究表明，間距為0.5~1.0 mm時，傳質效率與信號分辨率達到最佳平衡；

　　?2.流道結構優化：在電極背面設計微流道或蜂窩狀凹槽，通過離心力增強電解液流動，減少擴散層厚度；

　　?3.三維多孔結構：采用激光刻蝕或電化學蝕刻在盤電極表面構建多孔陣列，增大比表面積，加速反應物傳質。

　　數值模擬(如COMSOL多物理場建模)可輔助優化幾何參數，預測電解液流速與電流密度分布。

　　?三、表面處理：粗糙度與潤濕性的調控

　　表面特性顯著影響電解液潤濕性與反應物吸附行為：

　　?1.粗糙度控制：通過電化學拋光(Ra<0.1μm)或模板法構建微納結構，降低傳質邊界層厚度；

　　2.?超疏水/親水修飾：在環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)，促進電解液滲透；

　　3.?動態自清潔效應：利用旋轉產生的剪切力剝離表面氣泡或沉積物，避免活性位點堵塞。

　　實驗表明，經親水處理的盤電極可使傳質效率提升30%以上，尤其在低轉速(<500 rpm)條件下效果好。

　　RRDE旋轉環盤電極的制備工藝需多學科協同優化，從材料選擇到結構設計均需以傳質效率為核心目標。未來發展方向包括：

　　1.開發低成本、高耐久的復合材料基底；

　　2.結合3D打印技術實現復雜流道結構一體化成型；

　　3.引入原位表征技術(如電化學顯微鏡)實時監測傳質過程。

　　通過工藝創新，RRDE將在電催化機理研究和工業催化劑篩選中發揮更重要作用。