旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極在電解水制氫中的應(yīng)用

       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(dòng)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(shí)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(jì)。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)檢測不穩(wěn)定中間體，揭示反應(yīng)動(dòng)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。