旋轉環盤電極在電解水制氫中的應用

       旋轉環盤電極（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工具，主要用于反應機理分析、中間產物檢測和催化劑性能評估。以下是其應用和原理的詳細說明：

1. RRDE的基本原理

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

• 旋轉速度：控制流體動力學邊界層厚度，影響中間產物的傳輸效率。

• 收集效率（N）：環電極捕獲圓盤產物的比例，由電極幾何結構決定，需預先標定。

2. 在電解水制氫中的應用

（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。

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

（2）反應機理研究

• 中間體檢測：HER過程中可能生成吸附氫（H）等中間體。通過環電極電位設定，可氧化H或H?O?，驗證反應路徑（Volmer-Tafel或Volmer-Heyrovsky機制）。

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

（3）OER與HER耦合分析

在整體水分解中，陽極發生析氧反應（OER），可能產生腐蝕性中間體（如•OH）。RRDE可同步研究OER對陰極HER的影響，優化全電解槽設計。

3. 實驗設計示例

1. 催化劑修飾：將待測催化劑涂覆在圓盤上，環電極保持惰性（如Pt或碳）。

2. 電位設置：

• 圓盤：掃描HER電位區間（如-0.2至-1.0 V vs. RHE）。

• 環電極：固定能氧化H?O?的電位（如+1.2 V vs. RHE）。

3. 數據分析：

• 通過環電流計算H?O?產率，判斷催化劑選擇性。

• 結合旋轉速度變化，研究傳質對反應的影響。

4. 優勢與局限性

• 優勢：

• 實時檢測不穩定中間體，揭示反應動力學。

• 區分法拉第效率（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，固態產物（如氧化物）難檢測。

• 高轉速可能干擾實際電解條件（如靜態電解槽）。

5. 相關文獻案例

• 非貴金屬催化劑：RRDE證實CoP/C催化劑在HER中幾乎不產生H?O?（環電流接近零），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

RRDE在電解水制氫中主要用于機理解析和催化劑優化，尤其在區分反應路徑、副產物檢測方面不可替代。結合其他技術（如原位光譜），可更全面理解電催化過程。