实验课件-旋转圆盘电极技术

图1旋转圆盘电极结构以及电极转动时液体流动方向示意图a）从侧面看，b）从底还原反应的动圆盘电极体系中涉及的对流与扩散传质可近似地按扩散层模型来理o解。例如对OneROCo有物质的浓度均匀，大小就等于本体浓度Cob，而在δ溶液层以内即0x，由于电极的粘滞阻力，溶液传质不受对流的影响，完全受扩散控制的。这样，在电极附近（0x）δδ层也就越薄，由溶液本体向电极表面传质的速率也越快（2。2O的浓度随扩散层厚度分布的示意图，从图中可以看出当ω1<ω2,相同的浓度下δ1>δ2。ci

反应式右边各项分别表示的是扩散与对生的物质流量变化，其中vx代表沿x方向上溶液的运动速率，要想求解对流扩散方程就需要先求算xcixcixt

J(x,0)DCO(x,t) o vonKarmanCochran通过在稳态条件下解流体动力学方程式得到在旋转圆盘电极附近的r，yΦ31r2y 于离心力的存在溶液在径向以流速r 向外流动因溶液的粘性在圆盘旋转时溶液以电极表面较的溶液流速y向极中心补充，成轴向流，如图4示。图4旋转圆盘附近的流速的在忽略重力影响以及圆盘边缘不存在涡流效应影响的前提下，旋转圆盘电极中靠近圆表面处y→0（或r→0）

yyrr

在本体溶液中（y）y方向极限速度为U00.88447()1/2。当r/)1/2y3.6，0.8Uy3.6(/)1/2成为流体动力学边界厚度，粗略地表示被旋转圆盘所拖带的液层厚度。当在圆盘表面（ r0,y0,r（y），r0,0,yU05所示。5旋转圆盘电极上的法向流速（y）和径向流速（r）yr变化关系COC C 2C 1 12Cr Oy ODO O O O O r r y y2 r r r22limCC y 对于对称体系 并不是Φ的函数，所以有 O O

C 2CyOOD OyOy y2 3D3/21 Cb O

而变化，得到旋转圆盘电极（RDE）的极限扩散电流的表达式即Levich方 i=0.62nFAD2/3w1/2 式中，n为反应转移的电子数，A为电极的几何面积，D0物质的为扩散系数，ν为溶液的粘度系数，ω为电极转动的速率，Cob11中可以看出极限电流的大小正比于反应物的本体浓度Cob与电极转速的平方根ω1/2。极化曲线图从图中可以看出，在动力学控制区，电流密度与电极的转速无关，只随电极电在随超电势而增加），并且与转速的平方跟呈线性关系，见图6b。6(a)不同转速下，电流密度随电极电势的变化关系图。(b)极限扩散电流与转速的平方根Nernst-扩散的过程转化为在电极表面区仅Oil=nFADO/O O 1.61D1/31/21/ i=0.62nFAD2/3w1/21/6Cb-

y0

O 其中COy0为电极表面反应物的浓度，而Cb-C y0则表示为任意电位下，消耗的反应物浓度。由式11与14可以 CbC(y0) CbC(y0)i

l

and

l,a C

7给出可逆电极反应体系在固定转速下，不流下，所对应的反应物与生成物浓度与离开电极表面距离x7O与生成R的浓度会随着电极电势的改变而变化，扩散层外的浓度保持不变，大小就等于本体inFAkf(E)CO(y 结合式15可以

inFAk(E)Cb(1i

l其中

(Ek0expFEE0. inFAk 1111 l 0.62nFAD l 这就是著名的Koutecky-Levich方程，在我们的实验中利用K-L方程求算在不势ω-1/2得到的i-1ω-1/2呈线性关系（19），利用直6b。图8氧气在金电极/0.1MNaOH溶液中还原时反应电流密度的倒数与ω-1/2的极化关Tafel

iiexpnF ,三、实验内容实验设备:北斗电工旋转圆盘电极系统，变温电解池，低温恒温槽，CHI电化学工作站工作电极:多晶金或Pt电极,玻碳电极，VulcanXC‐72纳米碳粉末具体的实验内容以及步骤电解池，将电解池用自来水冲洗干净，并将其恒温夹层内脏物冲洗，放入浓NaOH5小时，取出，并用二次水冲洗，置入烧杯，加水煮沸并保持沸腾十分钟，Nafion溶液，并干燥电化学，向溶液中通入氮气15分钟，然后