旋转环盘电极在电解水制氢中的应用

       旋转环盘电极（Rotating Ring-Disk Electrode, RRDE）在电解水制氢（HER, Hydrogen Evolution Reaction）研究中是一种重要的电化学工具，主要用于反应机理分析、中间产物检测和催化剂性能评估。以下是其应用和原理的详细说明：

1. RRDE的基本原理

RRDE由中心的圆盘电极（Disk）和外围的环电极（Ring）组成，两者绝缘隔离。圆盘上发生电解水反应（如HER），生成的中间产物（如H₂O₂、OH⁻等）可能随流体被旋转的离心力甩到环电极上，通过环电极的电位设置可检测这些产物的氧化/还原电流。

• 旋转速度：控制流体动力学边界层厚度，影响中间产物的传输效率。

• 收集效率（N）：环电极捕获圆盘产物的比例，由电极几何结构决定，需预先标定。

2. 在电解水制氢中的应用

（1）HER催化剂性能评估

• 圆盘电极：加载催化剂（如Pt、MoS₂等），通过线性扫描伏安法（LSV）测量HER电流密度、过电位和塔菲尔斜率，评估催化活性。

• 环电极：检测副产物（如H₂O₂），判断催化选择性。例如，某些非贵金属催化剂可能产生H₂O₂而非H₂，降低制氢效率。

（2）反应机理研究

• 中间体检测：HER过程中可能生成吸附氢（H）等中间体。通过环电极电位设定，可氧化H或H₂O₂，验证反应路径（Volmer-Tafel或Volmer-Heyrovsky机制）。

• 稳定性测试：长时间运行中，催化剂可能失活（如氧化、溶解），通过环电极监测溶解的金属离子（如Ni²⁺、Co²⁺）。

（3）OER与HER耦合分析

在整体水分解中，阳极发生析氧反应（OER），可能产生腐蚀性中间体（如•OH）。RRDE可同步研究OER对阴极HER的影响，优化全电解槽设计。

3. 实验设计示例

1. 催化剂修饰：将待测催化剂涂覆在圆盘上，环电极保持惰性（如Pt或碳）。

2. 电位设置：

• 圆盘：扫描HER电位区间（如-0.2至-1.0 V vs. RHE）。

• 环电极：固定能氧化H₂O₂的电位（如+1.2 V vs. RHE）。

3. 数据分析：

• 通过环电流计算H₂O₂产率，判断催化剂选择性。

• 结合旋转速度变化，研究传质对反应的影响。

4. 优势与局限性

• 优势：

• 实时检测不稳定中间体，揭示反应动力学。

• 区分法拉第效率（如H₂与H₂O₂的比例）。

• 局限性：

• 仅适用于可溶性或短寿命中间体，固态产物（如氧化物）难检测。

• 高转速可能干扰实际电解条件（如静态电解槽）。

5. 相关文献案例

• 非贵金属催化剂：RRDE证实CoP/C催化剂在HER中几乎不产生H₂O₂（环电流接近零），表明其高选择性（Adv. Energy Mater. 2018）。

• 双功能催化剂：通过RRDE同步分析NiFe-LDH的OER和HER性能（Nature Catalysis 2020）。

总结

RRDE在电解水制氢中主要用于机理解析和催化剂优化，尤其在区分反应路径、副产物检测方面不可替代。结合其他技术（如原位光谱），可更全面理解电催化过程。