如何選擇電化學(xué)反應(yīng)的電解池

以氧還原反應(yīng)為例，氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction，ORR）是燃料電池空氣陰極的主要反應(yīng)，用來(lái)評(píng)價(jià)催化劑的性能，受到了眾多研究者的廣泛關(guān)注。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，電解池是必不可少的組成部分，對(duì)電化學(xué)的測(cè)試效果也有著影響，這往往被很多研究者所忽視。那么如何選擇合適的電解池，就顯得尤為重要了。

電解池影響電化學(xué)反應(yīng)的主要因素：

1、電解池的容積，氧還原反應(yīng)（ORR）需要提供很好的液體層流狀態(tài)，從而獲得均勻的電流分布。從液相傳質(zhì)過(guò)程分析來(lái)看，在遠(yuǎn)離電極表面的溶液中，對(duì)流作用是主要的傳質(zhì)過(guò)程，電極表面附近溶液層中的傳質(zhì)則主要依靠擴(kuò)散過(guò)程。然而在一般情況下很難將這兩種傳質(zhì)過(guò)程嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)來(lái)，因?yàn)榭傆幸欢慰臻g區(qū)域是兩種傳質(zhì)方式交叉作用的。因此，為了既可以排除電遷移的影響，又能分開(kāi)擴(kuò)散傳質(zhì)區(qū)和對(duì)流傳質(zhì)區(qū)，就需要電解液的體積相對(duì)較大，從而需要配備較大容積的電解池。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以認(rèn)為電解池中各位置的電解液濃度是均勻一致的。同時(shí)，選擇較大的電解池，旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極與電解池池壁相距足夠遠(yuǎn)，液流和電極的運(yùn)動(dòng)不受池壁的影響，常用電解池容積以150 mL為宜，容積過(guò)小（如50-100 mL）則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成不利影響。

2、電解池的幾何形狀，電化學(xué)電解池的等效電路如圖1表示，Ru為工作電極和參比電極溶液間的電阻，工作電極與參比電極距離越小，則電阻越小，Piontelli曾系統(tǒng)研究過(guò)參比電極放置位置對(duì)電化學(xué)測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)參比電極在工作電極的正下方且參比電極頂部開(kāi)口部分靠近工作電極時(shí)，測(cè)試效果最好。但是這種放置位置的設(shè)計(jì)在實(shí)際操作中卻不可行，原因是當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)工作電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)和參比電極產(chǎn)生摩擦力，從而對(duì)層流狀態(tài)造成極大的干擾。Barnartt研究表明當(dāng)工作電極與參比電極末端的距離為參比電極半徑的四倍（即5mm左右）時(shí)測(cè)試效果最好，在這個(gè)距離時(shí)，因電解質(zhì)的低導(dǎo)電率或在高電流密度下所產(chǎn)生的IR降可以得到校正。目前電解池常見(jiàn)的幾何形狀如圖2所示，該電解池不僅滿足了電解池的較大容積（150 mL），同時(shí)其幾何形狀也滿足了工作電極與參比電極的最合適距離（固定插孔位置），從而減少了溶液內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響。

綜上所述，氧還原反應(yīng)（ORR）過(guò)程中，對(duì)于電解池的選擇，至少需要考慮其容積和幾何形狀兩個(gè)方面。其它電化學(xué)反應(yīng)如氧析出反應(yīng)（OER）、氫析出反應(yīng)（HER）等也應(yīng)遵循這一原則。根據(jù)眾多用戶的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，目前，pine的150 mL標(biāo)準(zhǔn)5口電解池是理想的選擇！