动态电化学研究，旋转电极技术

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。

图1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。

层流

层流是一种流体流动状态，其特点是流体分层平滑移动，各层之间几乎没有混合发生。在与旋转电极相关的场景中，这种流动模式有助于在电化学反应中实现均匀的反应物分布和有效的物质传递，如图2所示。

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。

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。图3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

湍流是一种流体动力学状态，其特征是流速和压力的无序变化。在旋转电极系统中，湍流通常出现在电极的侧面，如图4所示。

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。

旋转圆盘电极（RDE）

旋转圆盘电极（RDE）是一种具有圆柱形结构的电极，其端面是一个圆盘，这个圆盘表面作为活性反应区域。这些圆盘通常由金属、玻碳或合金制成，如图5所示

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。

旋转环盘电极（RRDE）

旋转环盘电极（RRDE）是一种具有两个活性表面的圆柱形电极。一个表面是圆盘形状，通常由铂、金或玻碳制成，用作主要的工作电极。另一个表面是围绕圆盘的铂环，也作为工作电极。如图6所示。

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。

旋转圆柱电极（RCE）

旋转圆柱电极（RCE）的活性表面由金属插入物构成（图7）。这种电极的设计使其在电化学应用中产生湍流。

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。