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旋轉環(huán)盤電極在電解水制氫中的應用

來源:愛譜斯科技(北京)有限公司   2025年05月05日 19:16  

       旋轉環(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工具,主要用于反應機理分析、中間產(chǎn)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(huán)電極(Ring)組成,兩者絕緣隔離。圓盤上發(fā)生電解水反應(如HER),生成的中間產(chǎn)物(如H?O?、OH?等)可能隨流體被旋轉的離心力甩到環(huán)電極上,通過環(huán)電極的電位設置可檢測這些產(chǎn)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(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(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(huán)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(wěn)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(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(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(huán)電極保持惰性(如Pt或碳)。

  2. 電位設置:

    • 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。

    • 結合旋轉速度變化,研究傳質對反應的影響。

4. 優(yōu)勢與局限性

  • 優(yōu)勢:

    • 實時檢測不穩(wěn)定中間體,揭示反應動力學。

    • 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。

    • 高轉速可能干擾實際電解條件(如靜態(tài)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(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

RRDE在電解水制氫中主要用于機理解析和催化劑優(yōu)化,尤其在區(qū)分反應路徑、副產(chǎn)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。


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