七旋转圆盘电极和旋转环盘电极
旋转环盘电极原理
旋转环盘电极原理今天咱们来唠唠一个超有趣的东西——旋转环盘电极。
这玩意儿听起来是不是有点高大上？其实呀，没那么神秘啦。
咱先来说说电极是啥。
电极呢，就像是一个小小的魔法棒，在化学反应里起着超级重要的作用。
而这个旋转环盘电极啊，它是一种特殊的电极组合。
想象一下，有一个圆盘，还有一个环绕着圆盘的环，它们就像是两个小伙伴，组合在一起就有了奇妙的反应。
这个圆盘电极呢，就像是舞台的主角。
当有电流通过的时候，在圆盘电极表面就会发生氧化或者还原反应。
比如说，就像一场小小的化学舞会，一些分子在圆盘电极这个舞池里，要么得到电子（还原反应），要么失去电子（氧化反应）。
那这个过程为啥这么重要呢？这就和很多实际的应用有关啦。
比如说在电池里，电极上的这些反应就决定了电池能储存多少电，能放多久的电。
再说说那个环电极吧。
环电极就像是一个聪明的小助手。
当圆盘电极上发生反应的时候，会产生一些中间产物或者一些没有完全反应的物质。
这些物质就像调皮的小精灵，它们会扩散到环电极这里。
环电极就可以检测到这些小精灵的存在哦。
它是怎么检测的呢？其实就是通过在环电极上发生的特定反应。
这就好比环电极有一双敏锐的眼睛，能够发现从圆盘电极那边跑过来的特殊分子。
那这个旋转又是为啥呢？这旋转可太有意思了。
你想啊，当这个电极旋转起来的时候，就像是一个小旋风。
这个小旋风会让溶液里的物质更快地跑到电极表面，也会让电极表面产生的那些东西更快地跑开。
就像在舞会上，有一个小风扇在吹，让舞者们（分子们）能够更快地换位置。
这种旋转带来的好处可多了呢。
它可以让反应更加稳定，也能让检测更加准确。
比如说在研究一些金属腐蚀的过程中，旋转环盘电极就大显身手啦。
金属腐蚀就像是金属生病了，而这个电极就像是一个小医生。
圆盘电极上模拟金属腐蚀的反应，环电极就负责检测在这个过程中产生的那些和腐蚀有关的物质。
通过这种方式，科学家们就能知道金属是怎么被腐蚀的，然后就能想办法来防止金属被腐蚀啦。
还有在燃料电池的研究里，旋转环盘电极也是个明星呢。
xin-旋转圆盘电极
旋转圆盘电极测镀液中添加剂
在一系列整平剂浓度已知的标准液 中，铂盘电极转动时，测出相应的 阴极溶出电量。 对应已知的整平剂浓度，测出溶出 电量，对照工作曲线，找出相应的 溶出电量，即而对照标准曲线找出 相应的浓度值。 图2为Q1与含丁炔二醇镍镀液中糖精 浓度C糖的标准工作曲线关系图。 实验证明，作出标准工作液糖精浓度的工作曲线作参照，可定量 测定实际工作液的糖精浓度，从而有效地控制实际电镀液的糖精 浓度。
RDE 法的原理
旋转圆盘电极的中心是一根金属棒。棒的下端是研究电极 的圆形光亮表面。棒外用聚四氟乙烯绝缘。当电极经马达 带动以一定速度旋转时，在电极附近的液体必定会发生流 动，在一定条件下，旋转圆盘电极附近的液体处于层流状 态时，液体的流动可以分解成三个方向： 1．由于电极旋转而产生的离心力，使流体在径向以v径 速度向外流动； 2．由于流体的粘滞性，在圆盘电极的平面以一定角速度 转动时，流体就要以v切速度向圆盘切向方向流动； 3．由于电极附近流体向外流动，使电极中心区液体的压 力下降，从而使得离电极表面较远的液体以v轴速度向中 心流动。考虑到整个系统的轴对称性，选取三维圆柱坐标 （图3.10）。 液体基本上只作轴向流动，液体在径向和切向的流速都不可忽略。由于圆 盘旋转时，其边缘区液体流动的情况复杂，所以圆盘电极必须处在整个圆 盘的中心，圆盘的半径也要比电极的半径大好几倍，以忽略边缘效应对研 究电极下液体流动的影响。
i ω1 ω2
id1
id2 id3
ω3
-φ
b.以id 1/ 2作图 斜率： 0.62nFCo o Do 2 / 3V 1/ 6可求Do
id
ω1/2
旋转圆盘电极的其他应用
混合控制
测量动力学参数
测量反应级数
旋转圆盘电极的参数
旋转圆盘电极的参数
旋转圆盘电极是一种电化学实验中常用的电极类型。
它由一个旋转的金属圆盘构成，可以用来进行电化学反应的研究，比如电解、电沉积、电化学反应动力学等。
旋转圆盘电极的参数包括：
1. 电极材料：旋转圆盘电极一般铸造成形，材料有玻璃碳和金属等。
2. 尺寸：不同实验需要选择不同的尺寸，常用的直径为1cm、2cm、3cm等。
3. 转速：旋转圆盘电极的转速一般由电机控制，可以在一定范围内调节，常用的转速范围为0-10,000 rpm。
4. 电极面积：电极面积会影响到电位极化和电位扫描的速度，一般情况下，面积越大，电位极化越少。
5. 电极距离：电极距离也影响到电位极化和电位扫描的速度，一般情况下，电极距离越近，电位极化越多。
6. 反应环境：旋转圆盘电极的反应环境可以有空气、氧气、氮气等不同的气体，也可以有不同的电解液。
7. 实验参数：不同的实验参数会影响到旋转圆盘电极实验结果，如电流密度、
扫描速度等。
旋转圆盘电极pine
旋转圆盘电极pine旋转圆盘电极（Pine Modulated Speed Rotator）型号：MSR品牌：美国PINE产地：美国仪器简介配合PINE著名的旋转圆盘或旋转圆盘圆环电极，与电化学工作站联用，广泛用于化学电源、电镀、金属腐蚀等应用领域和电化学技术研究。
典型应用包括：氢燃料电池催化剂研究及评价；锂空气电池研究；电化学动力学研究；氧还原反应（ORR）、氧析出反应（OER）研究；缓蚀剂评价及研究；金属材料腐蚀电位研究等。
PINE的旋转圆盘圆环装置及电极是目前国际上电化学领域应用最为广泛的产品，在众多论文中被提及，其优异的性能可以保证实验结果的客观性和稳定性。
技术参数转速：50-10000rpm，电机功率0.02马力,采用银碳刷接触连接控制：分体控制，可拆式结构，方便置入手套箱。
具有信号输入/输出接口，可通过输入外部信号（来自电化学工作站）控制转速；可将转速信号输出至测试设备（示波器）或用来控制其它设备防爆：最新防爆设计，保证人身与设备安全旋转杆：长度170mm 外径：15mm，适用于各种电解池，方便与其它仪器联用,还有不同型号旋转杆供不同研究使用盘电极：外螺纹设计，接触更好，信号传输稳定。
有特氟龙与PEEK两种材料，适应不同应用。
盘电极直径：5.0mm，电极外径：15mm盘环电极：外螺纹设计，接触更好，信号传输稳定。
有特氟龙与PEEK两种材料，适应不同应用。
盘环间隙<=320μm。
盘环尺寸精度：0.01mm。
盘直径：5.61mm，环内径：6.25mm，环外径：7.92mm电解池：用户可选用标准电解池或自行设计服务：提供原厂认可的安装、培训服务主要特点MSR电极旋转装置的产品型号为AFMSRCE，是PINE公司大众化的产品。
其转速为LED显示，通过LED下面的旋钮，可以调节转速，调节范围为50到10,000 RPM，显示误差为1%。
面板上还带一个电压信号输出接口，外接电压表或数据采集系统，就可以显示电压信号的变化。
旋转圆盘盘环电极安全操作及保养规程
旋转圆盘盘环电极安全操作及保养规程前言旋转圆盘盘环电极是一种常用的实验设备，在许多科研领域中都有着广泛的应用。
为了确保实验过程的安全性和设备的长期可靠运行，有必要对旋转圆盘盘环电极的操作和保养进行规范和管理。
本文档旨在提供旋转圆盘盘环电极的安全操作和保养规程。
安全操作基本操作1.装载样品前，需将电极清洗干净，并确认设备没有任何漏电情况。
2.在加样前，确认旋转盘能正常旋转，且转速不高于设备使用说明书规定的最高转速。
3.加载样品时，要保证样品不碰触到电极上。
具体方法是根据样品的大小和形状进行调整，以确保样品与电极表面相隔一定距离。
4.操作结束后，关闭电源，仪器降温后再停止。
额外注意事项1.不开启液氮，实验结束后清空管路和旋转电极内部的液氮。
2.不得使用超过120W的强功率长波红外加热器。
3.使用电源时，必须选择合适的电压和频率。
4.避免使用波形异常的电源。
保养规程日常保养1.将旋转圆盘盘环电极放置在干燥通风的环境中。
2.定期检查液氮注入口和控制阀门是否有堵塞现象。
3.清洗金属电极表面时，请勿使用划伤电极表面的清洗剂和工具。
4.定期检测样品架和电极齿轮的连接情况。
长期保养1.定期检查设备的运转情况，如发现异常情况，应立即报修。
2.定期清理电极内部泄漏的液氮，以避免氧化和腐蚀电极。
3.定期清洗电极表面，以防止污物和灰尘对电极产生危害。
4.定期更换金属电极的密封圈，以避免发生泄漏或损坏的情况。
5.定期维护变速器和电机，以确保其良好的工作状态。
结语本文档旨在规范旋转圆盘盘环电极的操作和保养，并为大家提供参考。
我们希望您能严格遵循本规程，并按照规定的操作和保养程序操作设备，保障您和设备的安全。
旋转圆盘电极的作用
旋转圆盘电极的作用旋转圆盘电极是一种用于电化学分析的实验设备，它的主要功能是提高电化学分析的精确度和效率。
本文将详细介绍旋转圆盘电极的作用原理、使用场景以及常见的应用实例，希望能够帮助读者更好地理解这种实验设备的作用和优势。
一、作用原理旋转圆盘电极的作用原理基于磁场感应定律，利用磁场作用于导体中运动电荷的力，将旋转电极转动起来，从而形成电化学反应的场所，实现电化学分析。
具体来说，旋转圆盘电极由两部分组成：旋转电极和参考电极。
其中，旋转电极由圆盘电极和电机组成，电极与电解液有序转动，以形成稳定的电化学反应场所；参考电极通常使用Ag/AgCl电极，提供稳定的电势参照。
在电极转动时，电解液在不断的涡流中流动，形成了强烈的质量传递和动量传递，有效地提高了反应速度和传质速率，从而实现了更高的精确度和效率。
二、使用场景旋转圆盘电极广泛应用于电化学分析、材料表面分析、电化学沉积等领域。
在电化学分析领域，它被广泛用于离子选择性电极测定、溶解氧检测、药物分析、食品分析、环境分析等。
在材料表面分析方面，旋转圆盘电极可用于维持固定的悬浮液或溶液，以研究材料表面的反应动力学。
此外，它还广泛应用于电化学沉积技术中，如电镀、阴极保护和离子镀等。
三、应用实例1. 离子选择性电极测定离子选择性电极是一种选择性地测定溶液中离子浓度的实验设备。
例如，可以使用旋转圆盘电极测定水中钙离子的浓度，从而判断水的硬度。
2. 溶解氧检测溶解氧是水中生命的必需物质之一。
通过旋转圆盘电极，可以测定水体中的溶解氧浓度，从而判断水体中的氧气含量。
3. 电镀电镀是一种通过电解沉积金属离子在基底表面的技术。
旋转圆盘电极可用于电镀过程中的电化学反应场所的形成，从而提高反应效率和质量。
4. 阴极保护阴极保护是一种通过电位来保护金属材料的腐蚀。
使用旋转圆盘电极，可以形成稳定的电位场所，从而实现对金属材料的保护。
四、总结旋转圆盘电极作为一种高效、高精度的电化学分析设备，广泛应用于离子选择性电极测定、溶解氧检测、电化学沉积等领域。
电化学思考课后答案第五章
思考题1. 在电极界面附近的液层中，是否总是存在着三种传质方式？为什么？每一种传质方式的传质速度如何表示？答：电极界面附近的液层通常是指扩散层，可以同时存在着三种传质方式（电迁移、对流和扩散），但当溶液中含有大量局外电解质时，反应离子的迁移数很小，电迁移传质作用可以忽略不计，而且根据流体力学，电极界面附近液层的对流速度非常小，因此电极界面附近液层主要传质方式是扩散。
三种传质方式的传质速度可用各自的电流密度j 来表示。
3. 旋转圆盘电极和旋转圆环-圆盘电极有什么优点？它们在电化学测量中有什么重要用途？答：旋转圆盘电极和旋转圆环-圆盘电极上各点的扩散层厚度是均匀的，因此电极表面各处的电流密度分布均匀。
这克服了平面电极表面受对流作用影响不均匀的缺点。
它们可以测量并分析极化曲线，研究反应中间产物的组成及其电极过程动力学规律。
6. 稳态扩散和非稳态扩散有什么区别？是不是出现稳态扩散之前都一定存在非稳态扩散阶段？为什么？答：稳态扩散与非稳态扩散的区别，主要看反应离子的浓度分布是否为时间的函数，即稳态扩散时()i c f x =，非稳态扩散时(,)i c f x t =。
稳态扩散出现之前都一定存在非稳态扩散阶段，因为反应初期扩散的速度比较慢，扩散层中各点的反应粒子是时间和距离的函数；而随着时间的推移，扩散的速度不断提高，扩散补充的反应粒子数与反应消耗的反应离子数相等，反应粒子在扩散层中各点的浓度分布不再随时间变化而变化，达到一种动态平衡状态。
习题6. 已知25℃时，在静止溶液中阴极反应Cu2++ 2e → Cu受扩散步骤控制。
Cu2+离子在该溶液中的扩散系数为1×10-5cm2/s，扩散层有效厚度为1.1×10-2cm，Cu2+离子的浓度为0.5mol/L。
试求阴极电流密度为0.044A/cm2时的浓差极化值。
7. 在含有大量局外电解质的0.1mol/LNiSO4溶液中，用旋转圆盘电极作阴极进行电解。
旋转环盘电极有哪些性能和特点
旋转环盘电极有哪些性能和特点1.高效率：旋转环盘电极采用旋转方式进行工作，可以实现高速切割和打孔，提高加工效率。
2.高精度：旋转环盘电极采用高精密轴承和传动装置，确保了电极在加工过程中的稳定性和精确度。
可以实现精密加工，保证加工质量。
3.广泛适用性：旋转环盘电极适用于各种金属材料的加工，如钢、铁、铝、铜、镍等。
可以进行切割、打孔、磨削等多种加工操作。
4.超硬材料：旋转环盘电极的电极部分通常采用超硬材料，如金刚石、碳化硅等。
这些材料具有很大的硬度和耐磨性，可以实现长时间的高效加工。
5.自动化操作：旋转环盘电极通常配备有自动化控制系统，可以实现自动加载、卸载和调节等操作。
可以大大提高生产效率，减少人工操作。
6.多功能性：旋转环盘电极可以实现不同的加工方式和形式，如平面加工、倒角加工、镂空加工等。
具有很大的灵活性和适应性。
7.节能环保：旋转环盘电极通常采用电火花加工技术，不需要切割液等辅助材料，节省能源，减少环境污染。
8.维护简单：旋转环盘电极的维护相对简单，只需要定期检查和维护电极和轴承等关键部件即可。
不需要频繁更换零件。
9.批量生产性：由于旋转环盘电极可以实现高效率、高精度和自动化操作，适合批量生产，可以大大提高生产效率和产品质量。
10.成本效益：虽然旋转环盘电极的设备价格相对较高，但由于其高效率和高精度的特点，可以降低加工成本，提高生产效益。
总之，旋转环盘电极具有高效率、高精度、广泛适用性、自动化操作、多功能性、节能环保、维护简单、批量生产性和成本效益等特点。
它是一种理想的金属材料加工设备。
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代入cOS /cO0 = 1－ Ic/ Id 即得
边
3.6( v )1/
2
（3b*）
可见，旋转圆盘电极上边的与离圆盘中心的径向距离r无关，也就是在 整个圆盘表面上的边相同，并随着旋转速度的降低而增大。
二、旋转圆盘电极上的对流扩散方程
若溶液中存在大量“惰性电解质”，液相传质基本方程可简化为如下的“对 流扩散方程”：
cDd(igvra)dvcgradc (3d) t 在稳态时， c 0 ， 有
为此曾经设计过各种电极装置和搅拌 方式，其中最常用的是旋转圆盘电极 。 旋 转圆盘电极表面的液相传质动力学的数学 处理较简单，圆盘表面具有均匀的电流分 布是电化学研究中基本的实验方法 。
图3.9表示旋转圆盘电极的结构。
§7.1 旋转圆盘电极
为简化数学处理并能获得均匀的扩散厚度和电流分布要求在旋转时 圆盘电极附近的液体流动满足层流（不出现“湍流”）的条件。为此 从流体动力学考虑整个电极装置的设计做到以下几点：
§7.2旋转圆盘电极的液相传质过程
一、旋转圆盘电极上流体的速度分布
在“层流”条件下，经过流体动力学的计算可以推得上述三个方向的流 速分别为：
v y
vH()
vr = r wF ( a) （3a）
v rG()
是由圆盘起算的轴向无因次距离：
()1/2 y
v
（3b）
三个函数F() ,G() ,H()
七旋转圆盘 电极和旋转
环盘电极
§7.1 旋转圆盘电极
通常平面电极上的电流是不均匀的而且 水溶液中的传质速度也比较小。这给电化 学生产和电化学理论研究带来很多问题。
例如，在工业用电化学装置中若电流密 度分布不均匀就意味着不能充分利用电极 表面上每一部分的生产潜力， 并可能引起 反应产物的不均匀分布；在实验室中研究 电极反应时， 这意味着电极表面各处的极 化情况不同，使数据处理变得复杂。
0 .6n2 R F 2 /3 v 1 D /61 /2 (c R 0 c R s)
nF R 1/2(cR scR 0)
（3.30b）
（3.30）、（3.30a）和（3.30b）式 是从稳态对流扩散方程导出的扩散电 流公式，也叫做 Levich 公式。无论 电极反应的可逆性如何，对简单电极 过程都适合。
1. 圆盘电极与垂直她的转轴同心具有 很好的轴对称。
2．圆盘电极周围的绝缘层有一定的相 对厚度可以忽略流体动力学上的边缘 效应。
3．电极表面的粗糙度应小于扩散层厚 度。
4．电极转速适当。太慢（<1弧度/秒） 时自然对流有干扰作用，太快时会出 现湍流。
考虑到整个系统的轴对称性，选取三 维圆柱坐标（图3.10）。
Ik = nF[kccO0－ kacR0]也可导出相似的结果：
11kc/Oka/R1/2
Ic Ik nF (kccO 0kccR 0)
(4.24b)
从（4.24a）和（4.24b）式可以看出，对于部分可逆或不可逆的电极反
应，与之间有直线关系，与纯扩散步骤控制的电极反应的差别在与这一 直线不通过坐标原点。（图4.10 中直线2）。
由此求得旋转圆盘电极表面扩散层的有效厚度：
O
c
0 O
c
s O( cO y) Nhomakorabeay0
1.6D 1O1/3v1/6 1/2
（3.28） （3.28a）
（3.29）
三、旋转圆盘电极上的扩散电流
根据（3.29）式，扩散电流密度的表达式为：
Ic nFDO cO0OcOs
0 .6n 2F O 2 /3 v D 1 /61 /2 (c O 0 c O s)
四、旋转圆盘电极的动力学规律
设电极反应为简单电荷传递，可用以下反应式表示
+ ne
O0
OS
RS
R0
－ne
式中 O0、R0 和 OS、RS 分别表示溶液本体和电极表面的氧化态和还原态。如
果出现浓度极化，则不论电化学反应的可逆如何，增大搅拌速度总可增大电
极反应速度。下面将要说明在恒定电极电势的条件下，增加搅拌速度(转速)
假定旋转圆盘上有电极反应
O + ne
R
初始条件和边界条件为 cO(y,0)cO 0
cO (,t) cO0 ,
cO (0,t) cOs
稳态对流扩散方程（3.27b）式直接积分解出:
c O 0 c O s ( c y O )y 0 0 .89 (0 .5 33 D 3 1 /4 O 2 v 1 /2)1 /8 ( c y O )y 00.6D 2 O 1/3 1/2v 1/6(cO 0cO s)
式中vy值可由流体动力学方法比较精确地求得在 0 y 边 的区域, vyAy2, A=0.513/2-1/2,称为“对流常数”，代入（3.27a） 得
2c D
Ay2
c
y2
y
(3.27b)
（3.27b）式即为我们要推导的旋转圆盘电极上的稳态对流扩散方程。
三、旋转圆盘电极上的扩散电流
的基本性质可用图3.11表示。
一、旋转圆盘电极上流体的速度分布
三个函数的最重要的性质是：
（1）在圆盘表面（y=0）处，=0, G(0)=1.0, F(0)=H(0)=0。由（3a） 可知，在圆盘表面只有切向流速v=r，而vr和vy均为零，即直接接触 圆盘的液体随圆盘一起旋转。
（2）随着离开圆盘表面距离(y)的增加， G()下降， v随之减小;；
对纯扩散步骤控制和由扩散步骤与电化学步骤混合控制的电极过程的影响有
什么不同。
1. 当电极反应为纯扩散步骤控制时，电化学步骤处于平衡状态，即电极
反应是可逆的。电极表面上的反应物和产物浓度与电极电势之间的关系遵守
Nernst公式。在恒电势条件下c
S O
，c
S R
和(c
0 O
－
c
S O
)、
(c
0 R
－
c
S R
111 Ic Ik Id
(4.24)
或 11 1 1/2 Ic Ik nF OcO 0
(4.24a)
2
1 /Ic
1 /Ik
1
0
－ 1/2
图4.10 恒电势下 1/ Ic ~ 关系图
四、旋转圆盘电极的动力学规律
同理，若电极反应“部分可逆”，利用Ic = nF[kccOS－ kacRS] 和
c y
(3.27)
二、旋转圆盘电极上的对流扩散方程
圆盘电极的直径比整个圆盘小得多，在忽略边缘效应的前提下可认
为 方向vy上与不r无存关在。浓而度指差向，圆即盘电极c的 液0 ，相（传3质.27是）仅式由简轴化向为液一流维输形送式，：故在r
r
D
2c y2
v y
c y
(3.27a)
§7.3旋转圆盘电极的应用
一、判明电极反应的控制步骤 二、测量扩散系数 三、混合控制 四、测量动力学参数 五、测量反应级数
§7.4旋转圆环--圆盘电极(RRDE)
一、 RRDE的结构 二、 RRDE的工作原理 三、应用
§7.4 旋转圆盘电极
t Dd(givra) dvcgradc (3e)
鉴于圆盘恒速度旋转时引起的液体流动与坐标 无关，可以把三维（r, ,y） 坐标系简化成二维（r,y）的。由（3e)式写出相应的稳态对流扩散方程：
2c 1 c 2c D[ ( ) ]
r2 r r y2
v r
c r
vy
r边
H()值逐渐增大，相应的vy随之加快； F()先有所增大，后又逐渐下
降，导致vr出现相应的变化。
（3）在3.6时， F() 和G()均已较小，同时H()的变化趋于平缓。
在0 < 3.6范围内，流体的速度有明显变化，这一区域就称为流体
动力学边界层。
由（3b）给出边界层厚度为：
nF O 1/2(cO 0cO s)
（3.30）
达到“完全浓差极化”时的极限扩散电流密度为：
Id0 .6n 2F O 2/3v D 1/6
c 1/20 O
nFO1/2cO 0
（3.30a）
式中
0.6D 2O2/3v1/2
三、旋转圆盘电极上的扩散电流
Ic nF同DR 样cR0可R以cRs导出用还原态表示的电流：
)均不受
转速的影响，从（3.30）式可知， Id 、 Ic 与－1/2之间或1/ Ic 、
1/ Id与－1/2之间均为通过坐标原点的直线关系（正比，图4.10 中直
线1）。
四、旋转圆盘电极的动力学规律
2.电极反应受混合步骤控制时，电化学为不可逆或部分可逆。由于 化学平衡被破坏，因此Nernst公式不适于处理这类问题。在恒电势条件