Elettrodo a disco rotante: principi
L’elettrodo a disco rotante (RDE) è uno dei sistemi di elettrodi convettivi più popolari ed è ampiamente utilizzato per scopi di ricerca al fine di studiare la cinetica delle reazioni elettrochimiche in quanto fornisce gradienti di concentrazione uniformi lungo la superficie dell’elettrodo durante i processi elettrochimici.
Quando l’elettrodo ruota, il reagente viene convogliato verso la superficie dell’elettrodo e il prodotto viene allontanato dalla superficie dell’elettrodo. La convezione può essere controllata variando la velocità di rotazione dell’elettrodo, creando un profilo di flusso laminare ben definito attraverso la superficie dell’elettrodo che può consentire un’analisi quantitativa secondo l’equazione di Levich dovuta al chimico fisico, elettrochimico e fondatore della disciplina dell’idrodinamica fisico-chimica Beniamin Grigorievich Levich.
L’elettrodo a disco rotante è infatti utilizzato preferibilmente per studiare i fenomeni di trasporto di massa in condizioni di flusso laminare, condizione di flusso in cui le particelle del fluido seguono linee di flusso uniformi e costanti con un movimento minimo delle particelle tra strati adiacenti.
La tecnologia dell’elettrodo a disco rotante ha dimostrato i suoi vantaggi nella misurazione del numero degli elettroni che si trasferiscono in una reazione, della concentrazione dei reagenti e del coefficiente di diffusione, della costante cinetica di reazione e degli intermedi di reazione.
Principi teorici dell’elettrodo a disco rotante
Il flusso laminare in un elettrodo a disco rotante trasporta un flusso costante di materiale dalla soluzione alla superficie dell’elettrodo. Mentre la soluzione lontana dall’elettrodo rimane ben agitata dalla convezione indotta dalla rotazione, la parte della soluzione più vicina alla superficie dell’elettrodo tende a ruotare con l’elettrodo. Pertanto, se la soluzione viene vista dal sistema di riferimento della superficie dell’elettrodo rotante, la soluzione appare relativamente inattiva.
Questo strato relativamente inattivo è noto come strato limite idrodinamico che identifica una zona adiacente ad una interfase in corrispondenza della quale si ha una brusca variazione di una grandezza fisica, che è, nel caso dell’elettrodo a disco rotante, la concentrazione.
Lo spessore dello strato limite ∂H è dato dall’equazione approssimata:
∂H = 3.6 (ν/ω)1/2
dove:
ν è la viscosità cinematica della soluzione
ω è la velocità di rotazione angolare
Il movimento netto del materiale sulla superficie dell’elettrodo può essere descritto matematicamente applicando i concetti generali di convezione-diffusione della dinamica dei fluidi. Il trasporto di massa del materiale dalla soluzione allo strato inattivo avviene per convezione a causa dell’agitazione generata dall’elettrodo a disco rotante.
Tuttavia, dopo che il materiale entra nello strato inattivo e si avvicina alla superficie dell’elettrodo, la convezione diventa meno determinante mentre la diffusione diventa più determinante. Il movimento finale di uno ione o di una molecola sulla superficie dell’elettrodo è dominato dalla diffusione attraverso uno strato molto sottile di soluzione immediatamente adiacente all’elettrodo noto come strato di diffusione.
Lo strato di diffusione è molto più sottile dello strato idrodinamico. Lo spessore dello strato di diffusione ∂F può essere approssimato secondo l’equazione:
∂F = 1.61 DF1/3ν1/6ω-1/2
dove DF è il coefficiente di diffusione della molecola o dello ione
Equazione di Levich
La prima trattazione matematica della convezione e della diffusione verso un elettrodo a disco rotante è stata data da Levich che prevede la corrente osservata in un elettrodo a disco rotante e mostra che la corrente è proporzionale alla radice quadrata della velocità di rotazione. L’equazione di Levich è:
iLC= 0.620 nFAD2/3 ω1/2 v-1/6 Cox
dove:
iLC è la corrente limite catodica (Ampere)
n è il numero di elettroni trasferiti,
F è la costante di Faraday (C/mol),
A è l’area dell’elettrodo (cm2)
D è il coefficiente di diffusione (cm2/s)
ω è la velocità di rotazione (radianti/sec),
v è la viscosità cinematica della soluzione (cm2/s)
Cox è la concentrazione della forma ossidata nella soluzione (mol/(cm3)
L’equazione di Levich può essere utilizzata per calcolare il coefficiente di diffusione D in funzione della velocità di rotazione ω e la corrente i. In alternativa, quando la soluzione inizialmente contiene solo la forma ridotta, l’equazione per la corrente limite anodica iLA viene scritta in forma analoga sostituendo a Cox, concentrazione della forma ossidata nella soluzione la concentrazione della forma ridotta CRed
Componenti
L’elettrodo a disco rotante è costituito da un disco conduttivo, solitamente realizzato in metalli nobili come platino o oro, carbonio vetroso o altri materiali conduttivi in base a specifiche esigenze sperimentali. Il disco è incorporato in un polimero o resina inerte e non conduttiva, come il politetrafluoroetilene (teflon), per garantire stabilità e prevenire interferenze elettriche. La scelta del materiale per il disco è fondamentale in quanto influisce sulla conduttività, la durata e la reattività dell’elettrodo con gli analiti.
Il sistema a tre elettrodi include l’elettrodo di lavoro (RDE), un elettrodo di riferimento e un controelettrodo. L’elettrodo di riferimento fornisce un punto di riferimento di potenziale stabile, mentre il controelettrodo bilancia il flusso di corrente.
Il processo di assemblaggio comporta un attento allineamento e collegamento di questi elettrodi al potenziostato, che controlla i parametri elettrici dell’esperimento. Un assemblaggio corretto garantisce una raccolta dati accurata e riduce al minimo la variabilità sperimentale.
Vantaggi
L’elettrodo a disco rotante fornisce un flusso costante di analita alla superficie dell’elettrodo, consentendo un controllo e una determinazione del trasporto del reagente in prossimità della superficie dell’elettrodo. Inoltre consente di studiare diversi fenomeni elettrochimici, tra cui la cinetica di un trasferimento elettronico, le fasi di adsorbimento/desorbimento e i meccanismi di reazione elettrochimica.
Esso può raggiungere condizioni in cui la corrente allo stato stazionario è controllata dal flusso della soluzione piuttosto che dalla diffusione, garantendo una maggiore accuratezza nei dati sperimentali. Consente lo studio di reazioni omogenee in massa di specie intermedie prodotte sul disco confrontando i dati sperimentali con quelli teorici.
L’elettrodo a disco rotante può essere utilizzato in varie applicazioni elettrochimiche, quali studi sulla corrosione, ricerca sulle celle a combustibile, sviluppo di catalizzatori e controllo del trasporto di massa dei reagenti sulla superficie dell’elettrodo.
Applicazioni
L’elettrodo a disco rotante è usato nella simulazione dell’ambiente di corrosione all’interno di una conduttura nell’industria petrolifera. Nella chimica analitica, l’elettrodo a disco rotante è utilizzato in sistemi a tre elettrodi per voltammetria idrodinamica per studiare meccanismi di reazione correlati alla chimica delle reazioni di ossidoriduzione.
La voltammetria con elettrodo a disco rotante è un metodo importante per la caratterizzazione della cinetica dei biocatalizzatori enzimatici e della diffusione del substrato sulla superficie e usata per lo studio della cinetica e del meccanismo di reazione dei sistemi redox.
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il 28 Aprile 2025