旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（Rotating Ring-Disk Electrode, RRDE）在電解水制氫（HER, Hydrogen Evolution Reaction）研究中是一種重要的電化學(xué)工具，主要用于反應(yīng)機(jī)理分析、中間產(chǎn)物檢測和催化劑性能評估。以下是其應(yīng)用和原理的詳細(xì)說明：

1. RRDE的基本原理

RRDE由中心的圓盤電極（Disk）和外圍的環(huán)電極（Ring）組成，兩者絕緣隔離,。圓盤上發(fā)生電解水反應(yīng)（如HER），生成的中間產(chǎn)物（如H?O?,、OH?等）可能隨流體被旋轉(zhuǎn)的離心力甩到環(huán)電極上,，通過環(huán)電極的電位設(shè)置可檢測這些產(chǎn)物的氧化/還原電流。

• 旋轉(zhuǎn)速度：控制流體動力學(xué)邊界層厚度,，影響中間產(chǎn)物的傳輸效率,。

• 收集效率（N）：環(huán)電極捕獲圓盤產(chǎn)物的比例，由電極幾何結(jié)構(gòu)決定,，需預(yù)先標(biāo)定,。

2. 在電解水制氫中的應(yīng)用

（1）HER催化劑性能評估

• 圓盤電極：加載催化劑（如Pt、MoS?等）,，通過線性掃描伏安法（LSV）測量HER電流密度,、過電位和塔菲爾斜率，評估催化活性,。

• 環(huán)電極：檢測副產(chǎn)物（如H?O?）,，判斷催化選擇性。例如,，某些非貴金屬催化劑可能產(chǎn)生H?O?而非H?,，降低制氫效率。

（2）反應(yīng)機(jī)理研究

• 中間體檢測：HER過程中可能生成吸附氫（H）等中間體,。通過環(huán)電極電位設(shè)定,，可氧化H或H?O?，驗(yàn)證反應(yīng)路徑（Volmer-Tafel或Volmer-Heyrovsky機(jī)制）,。

• 穩(wěn)定性測試：長時間運(yùn)行中,，催化劑可能失活（如氧化,、溶解）,，通過環(huán)電極監(jiān)測溶解的金屬離子（如Ni2?、Co2?）,。

（3）OER與HER耦合分析

在整體水分解中,，陽極發(fā)生析氧反應(yīng)（OER），可能產(chǎn)生腐蝕性中間體（如•OH）,。RRDE可同步研究OER對陰極HER的影響,，優(yōu)化全電解槽設(shè)計。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計示例

1. 催化劑修飾：將待測催化劑涂覆在圓盤上,，環(huán)電極保持惰性（如Pt或碳）,。

2. 電位設(shè)置：

• 圓盤：掃描HER電位區(qū)間（如-0.2至-1.0 V vs. RHE）,。

• 環(huán)電極：固定能氧化H?O?的電位（如+1.2 V vs. RHE）。

3. 數(shù)據(jù)分析：

• 通過環(huán)電流計算H?O?產(chǎn)率,，判斷催化劑選擇性,。

• 結(jié)合旋轉(zhuǎn)速度變化，研究傳質(zhì)對反應(yīng)的影響,。

4. 優(yōu)勢與局限性

• 優(yōu)勢：

• 實(shí)時檢測不穩(wěn)定中間體,，揭示反應(yīng)動力學(xué)。

• 區(qū)分法拉第效率（如H?與H?O?的比例）,。

• 局限性：

• 僅適用于可溶性或短壽命中間體,，固態(tài)產(chǎn)物（如氧化物）難檢測。

• 高轉(zhuǎn)速可能干擾實(shí)際電解條件（如靜態(tài)電解槽）,。

5. 相關(guān)文獻(xiàn)案例

• 非貴金屬催化劑：RRDE證實(shí)CoP/C催化劑在HER中幾乎不產(chǎn)生H?O?（環(huán)電流接近零）,，表明其高選擇性（Adv. Energy Mater. 2018）。

• 雙功能催化劑：通過RRDE同步分析NiFe-LDH的OER和HER性能（Nature Catalysis 2020）,。

總結(jié)

RRDE在電解水制氫中主要用于機(jī)理解析和催化劑優(yōu)化,，尤其在區(qū)分反應(yīng)路徑、副產(chǎn)物檢測方面不可替代,。結(jié)合其他技術(shù)（如原位光譜）,，可更全面理解電催化過程。