探索电化学的动态世界：旋转电极技术

  静态溶液  

在工作电极处测得的电流源自电极与电解质界面上的电子与反应物之间的氧化还原反应。这些反应物通过质量传递达到界面，而质量传递过程包括以下三种机制：

在静态溶液中，这三种质量传递机制共同作用，影响着反应物的传递和电流的测量。

在电化学氧化过程中，物质的质量传递速率可能会超过电荷转移速率。随着反应的进行，电荷转移速率逐渐增加，直至与质量传递速率相等，此时电流达到最大值。一旦质量传递速率低于电荷转移速率，电流就会开始下降。

不同扫描速率下的电流峰值

以上图为例，展示了在静止的亚铁溶液中 Fe⁺² 氧化成 Fe⁺³ 过程中，不同扫描速率下的伏安图。从图中可以观察到，扫描速率越快，峰值电流也越高。

  动态条件  

在电化学反应中，通过旋转工作电极可以人为地引入对流，从而改变电解质中的流动状态。这种旋转引起的流动会在电解质内部形成涡旋，促进反应物向电极表面的传质，并有效地将产物从界面移除。根据流动的具体特征，由旋转产生的电解液流动可以是层流或湍流。通过控制旋转速度和电极的设计，可以调节电解质流动的状态，从而优化电化学反应的效率和选择性。

层流

旋转电极表面的层流示意图

在层流条件下进行的电化学反应过程中，随着质量传递速率超过化学反应速率，电流会逐渐增加。当质量传递速率与氧化还原反应速率相匹配时，电流达到一个稳态的最大值，这在伏安图上表现为一个平台。

不同转速下的极限电流

在流体动力学条件下，这个极限电流与电极的旋转速度成正比。上图展示了铁离子 Fe⁺² 氧化为 Fe⁺³ 的反应为例，旋转速度越快，极限电流也越大。这表明通过增加旋转速度可以有效地提高电化学反应的传质效率和反应速率。

湍流

旋转电极两侧形成的湍流图示

使用旋转电极产生的湍流可以模拟管道中观察到的流动条件，用于研究在工业管道和反应器中可能遇到的复杂流动情况。

玻碳材质的 RDE 在电催化研究中特别有用，因为它是一种对氢还原反应呈惰性的电极材料，并且能够支持催化剂在其表面的吸附或沉积。

RDE 的主要应用之一是产生层流条件，这在基础电化学实验中非常有用，可以用来研究电解质的特性。此外，RDE 也常用于电催化研究，以评估催化剂的性能，以及在传感器开发中研究检测机制。

与旋转圆盘电极（RDE）类似，RRDE 也能在电解质中产生层流条件。RRDE 主要用于电催化实验，研究人员用它来评估不同催化剂的性能。此外，RRDE 也是研究电化学反应机理的重要工具，例如通过检测反应中间体来研究氧还原反应过程中过氧化氢的产生。

RCE 主要应用于腐蚀研究领域。由于沿着 RCE 产生的湍流与具有特定厚度和直径的管道内湍流存在相似性，因此 RCE 特别适用于模拟实际工业环境中的流动条件。例如，在石化工业中，RCE 常用于评估不同腐蚀抑制剂对管道保护效果的影响，这可以通过线性极化（LP）或电化学阻抗谱（EIS）技术来实现。

◆ RDE

通常应用于电解质性质的研究、催化剂性能的评估以及传感器检测机制的探讨。

◆ RRDE

也用于评估催化剂性能，并且还被用于电镀和反应机理的研究。

◆ RCE

主要应用于管道腐蚀的研究以及保护涂层性能的评估。