1.ORR燃料電池研究應用
在高分子電解質燃料電池(PEFC)的空氣電極處發(fā)生的反應為氧還原反應(ORR)。PEFC由于其尺寸小和重量輕，并可在室下運行，可用于汽車動力而被廣泛積極研究的燃料電池。圖6-1是PEFC燃料電池的工作示意圖和兩個電極的上的電極反應方程式。

圖6-1 PEFC燃料電池工作示意圖

在PEFC燃料電極處，燃料氫被分解以產生質子(H+) 和電子(e-)，質子向電解質移動，電子通過導線移動至空氣電極。在空電極處，氧(O2)與質子和電子反應 (還原) 生成形成水(H2O)，該反應被稱為還原反應(ORR)。因為這種ORR反應的過電勢非常大目能量轉換效率差，一般使用鉑和鉑合金用作催化劑。然而，即使使用鉑催化劑，在1.23V的理論電勢中也會產生約0.3V的過電勢，而導致電極電動勢下降。
近年來，對不使用鉑的非鉑基催化劑的研究一直在積極進行。旋轉電極法被廣泛用作這些燃料池催化劑的ORR活性評價的標準測量方法之一。

2.簡單ORR的電極活性評價 - 堿性溶液中溶解氧的還原反應

首先，使用兩個直徑為3mm的旋轉圓盤電極(鉑和金盤)，進行溶解氧在0.1mol/LNaOH中的還原反應(圖6-2)。對于兩者，ORR發(fā)生在-0.5V對Ag /AgCI附近，但在鉑電極上存在四電子還原反應，其中氧被轉化為氫氧根離子，而在金電極上，發(fā)生了是雙電子還原反應，其中氧是轉化為過氧化氯離子。在金電極的情況下，氫過氧化物離子在-1.1V附近經歷雙電子反應并轉化為氫氧根離子。因此，如果將在-0.5V和-11V時的電流值進行Koutecky-Levich圖處理，則可以計算每個電勢處的反應電子數(shù)。

圖6-2 堿性溶液中鉑電極(藍線)和紅線的流體動力學

3.ORR電極活性評估 - 高分子電解質燃料電池空氣電極的還原反應

對于使用旋轉電極法的評估方法時，將含有待評估的催化劑修飾在玻碳圓盤電極上，在0.5mol/L硫酸或0.1mol/L高氯酸溶液中，以施加電勢進行慢速電勢掃描。監(jiān)測不同轉速下的電流變化(圖6-3) 。 根據(jù)0.9 V的當前值和旋轉速度(圖6-4)描繪Koutecky-Levich圖，并且可以從圖的當前軸的截距找到激活主導活性電流不Ik。
從該圖的y軸截距，Ik-1的值-1333來計算其活性電流 Ik= 7.5x10-4A。該活性電流可用于計算上述催化劑的質量比活性和表面比活性。通過計算我們得到 質量比活性: Im = 150A/g，表面比活性: Ia = 364.1A /cm3.

4使用旋轉環(huán)盤電極的產品監(jiān)控

旋轉環(huán)盤電極(圖6-5)的盤電極與圓環(huán)電極呈同心圓分布，在盤電極表面上的電極反應的產物通過旋轉的離心力作用向周邊傳遞。圓環(huán)電極上的恒定電勢可捕獲產物并檢測。 然而，由于圓盤電極產物的一部分以一定的比例從電極上逃逸(圖6-6)，收集率(Colletion rate) 時基于電極尺寸的常數(shù)。我們和銳的旋轉環(huán)盤電極的理論收集率約為42.4%。在PEFC的空氣電極的氧還原反應(ORR)的情況下，除了從氧氣到水分子變化的圓電子反應之外，可以伴隨產生過氧化氫的雙電子反應的副反應。使用圓盤電極檢查過氧化氫副產物的百分比 (圖6-7)

圖5 旋轉環(huán)盤電極            

圖6旋轉環(huán)盤電極工作示意圖

轉速在900rpm時的伏安法測量圖

圖6-7a 在環(huán)電極上收集檢測圓盤電極反應產生過氧化氫  圖6-7b 圓盤電極反應產生的過氧化氫

5.總結
使用旋轉環(huán)盤電極系統(tǒng)，可以詳細研究催化劑材料的氧還原反應的效率，以獲得更高的燃料電池效率。除了評估燃料電池的催化劑材料外，旋轉圓盤環(huán)盤電極裝置也用于高靈敏度分析領域