Roterande ringskivelektrod

En roterande ring-diskelektrod ( RRDE ) är en dubbelarbetselektrod som används inom hydrodynamisk voltammetri , mycket lik en roterande skivelektrod (RDE). Elektroden roterar under experiment och inducerar ett flöde av analyt till elektroden. Detta system används i elektrokemiska studier när man undersöker reaktionsmekanismer relaterade till redoxkemi och andra kemiska fenomen.

Strukturera

Skillnaden mellan en roterande ringskivelektrod och en roterande skivelektrod är tillägget av en andra arbetselektrod i form av en ring runt den första arbetselektrodens centrala skiva. För att driva en sådan elektrod är det nödvändigt att använda en potentiostat , såsom en bipotentiostat, som kan styra ett system med fyra elektroder. De två elektroderna är åtskilda av en icke-ledande barriär och anslutna till potentiostaten via olika ledningar. Detta roterande hydrodynamiska elektrodmotiv kan utökas till roterande dubbelringelektroder , roterande dubbelringskivelektroder och ännu mer esoteriska konstruktioner, som passar experimentet.

Fungera

RRDE drar fördel av det laminära flödet som skapas under rotation. När systemet roteras, drivs lösningen i kontakt med elektroden åt sidan, liknande situationen för en roterande skivelektrod. När lösningen strömmar åt sidan, korsar den ringelektroden och strömmar tillbaka in i bulklösningen. Om flödet i lösningen är laminärt bringas lösningen i kontakt med skivan och med ringen snabbt efteråt, på ett mycket kontrollerat sätt. De resulterande strömmarna beror på potentialen, arean och avståndet mellan elektroderna, såväl som rotationshastigheten och substratet.

Denna design möjliggör en mängd olika experiment, till exempel kan ett komplex oxideras vid skivan och sedan reduceras tillbaka till utgångsmaterialet vid ringen. Det är lätt att förutsäga vad ring/skiva strömförhållandena är om denna process helt kontrolleras av lösningens flöde. Om den inte styrs av lösningens flöde kommer strömmen att avvika. Till exempel, om den första oxidationen följs av en kemisk reaktion, en EC-mekanism, för att bilda en produkt som inte kan reduceras vid ringen, då skulle storleken på ringströmmen minskas. Genom att variera rotationshastigheten är det möjligt att bestämma hastigheten för den kemiska reaktionen om den är i rätt kinetisk regim.

Ansökningar

RRDE-inställningen tillåter många ytterligare experiment långt utöver kapaciteten för en RDE. Till exempel, medan en elektrod leder linjär svepvoltammetri, kan den andra hållas vid en konstant potential eller också svepas på ett kontrollerat sätt. Stegexperiment med varje elektrod som verkar oberoende kan utföras. Dessa liksom många andra extremt eleganta experiment är möjliga, inklusive de som är skräddarsydda för behoven hos ett givet system. Sådana experiment är användbara för att studera multi-elektronprocesser, kinetiken för en långsam elektronöverföring, adsorptions-/desorptionssteg och elektrokemiska reaktionsmekanismer .

RRDE är ett viktigt verktyg för att karakterisera de grundläggande egenskaperna hos elektrokatalysatorer som används i bränsleceller . Till exempel, i en protonutbytesmembran (PEM) bränslecell , förbättras disyrereduktionen vid katoden ofta av en elektrokatalysator som består av platinananopartiklar. När syre reduceras med hjälp av en elektrokatalysator kan en oönskad och skadlig biprodukt , väteperoxid, bildas. Väteperoxid kan skada de inre komponenterna i en PEM-bränslecell, så syrereducerande elektrokatalysatorer är konstruerade på ett sådant sätt att de begränsar mängden peroxid som bildas. Ett RRDE "insamlingsexperiment" kan användas för att undersöka de peroxidalstrande tendenserna hos en elektrokatalysator. I detta experiment är skivan belagd med ett tunt skikt som bär elektrokatalysatorn, och skivelektroden är placerad på en potential som minskar syret. Alla produkter som genereras vid skivelektroden svepas sedan förbi ringelektroden. Ringelektrodens potential är redo att detektera eventuell väteperoxid som kan ha genererats vid skivan.

Designöverväganden

Generellt sett tillåter en minskning av gapet mellan skivans ytterdiameter och ringens innerdiameter sondering av system med snabbare kinetik. Ett smalt gap minskar den "transittid" som är nödvändig för att ett mellanslag som genereras vid skivan framgångsrikt ska nå ringelektroden och detekteras. Med hjälp av precisionsbearbetningstekniker är det möjligt att göra mellanrum mellan 0,1 och 0,5 millimeter, och smalare luckor har skapats med mikrolitografitekniker.

En annan viktig parameter för en RRDE är "insamlingseffektiviteten". Denna parameter är ett mått på procentandelen av materialet som genereras vid skivelektroden som detekteras vid ringelektroden. För varje given uppsättning RRDE-dimensioner (skiva OD, ring ID och ring OD) kan insamlingseffektiviteten beräknas med hjälp av formler härledda från vätskedynamiks första principer. En användbar aspekt av den teoretiska insamlingseffektiviteten är att den bara är en funktion av RRDE-dimensionerna. Det vill säga, den är oberoende av rotationshastigheten över ett brett intervall av rotationshastigheter.

Det är önskvärt att en RRDE har en stor uppsamlingseffektivitet om så bara för att säkerställa att strömsignalen som mäts vid ringelektroden är detekterbar. Å andra sidan är det också önskvärt för en RRDE att ha en kort transittid så att kortlivade (instabila) mellanprodukter som genereras på disken överlever tillräckligt länge för att detekteras vid ringen. Valet av faktiska RRDE-dimensioner är ofta en kompromiss mellan en stor insamlingseffektivitet eller en kort transporttid.

Se även

• Hydrodynamisk teknik
• Elektrod av flytande metall
• Roterande skivelektrod
• Voltammetri
• Arbetselektrod