Pöörlev rõngas-ketaselektrood

Pöörlev rõngas-ketaselektrood on pöörleva ketaselektroodi edasiarendus. Selleks on kaks tööelektroodi: ketaselektrood ja rõngaselektrood. Moodustades nelja elektroodi süsteemi. Kasutatakse elektrokeemias redoksreaktsioonide mehhanismide uurimisel. Valdavalt kasutatakse hapniku elektrokeemilise redutseerimise uurimiseks. Erinevus pöörleva ketaselektroodi ja pöörleva rõngas-ketaselektroodi vahel seisneb selles, et lisatud on veel üks tööelektrood, mis moodustab ringi ümber ketaselektroodi. Need elektroodid on eraldatud mittejuhtiva barjääriga ja nende potentsiaale kontrollitakse erinevalt. Elektroodide vahe on väiksem kui üks millimeeter, kuid vahekaugus on varieeritav. Mõlema töö-elektroodipotentsiaali saab muuta, kusjuures kummagi elektroodipotentsiaali muutmine ei tohi mõjutada teist elektroodi. Kui ühe elektroodi potentsiaali muutmine mõjutab teist, on tegemist defektse süsteemiga. Sarnaselt pöörleva ketaselektroodiga toimub ketta pöörlemine, mille tulemusena tekib voog ketaselektroodi pinnal, kuid nüüd pärast ketaselektroodilt lahkumist liigub elektrolüüt rõngaselektroodile. Kui tegemist on laminaarvooga, siis toimub voog ketaselektroodilt rõngaselektroodile ühtlase ja jälgitava voona. Põhiline reaktsioon toimub kettal, ringi kasutatakse kvantitatiivseks ja mõnikord kvalitatiivseks reaktsiooni produktide analüüsiks. Kasutades hüdrodünaamika konvektiivse difusiooni seadusi, on võimalik arvutada, milline osa osakesi eraldub ketaselektroodilt ja jõuab ringelektroodi pinnale. Selline elektroodi süsteemi ehitus võimaldab uurida näiteks süsteeme, kus kettal toimub oksüdeerimine ning rõngal tagasi redutseerimine. Ning kui protsessi kontrollib ainult analüüdivoog, siis on suhteliselt lihtne ennustada rõnga ja ketta voolude suhet. Ning kui analüüdivoog ei kontrolli süsteemi, siis on võimalik leida toimuva reaktsiooni järk. Pöörlev rõngas-ketaselektrood on oluline vahend kütuse elementide elektrokatalüütide põhiomaduste kindlakstegemisel. Näiteks prootonvahetus membraaniga kütuseelement, kus toimub katoodil hapniku redutseerimine, on tavaliselt katalüüsitud plaatina nanoosakstega. Samas kui hapnikku redutseerida elektrokatalüsaatori juuresolekul, võib tekkida soovimatu kõrvalprodukt: vesinikperoksiid, mis rikub antud kütuse elementi. Sellise olukorra vältimiseks proovitakse reaktsioon läbi viia võimalikult vähese vesinikperoksiidi tekkega. Pöörlevat ketas-ring elektroodi saab kasutada sellise reaktsiooni uurimiseks, kus ketta peale kantakse õhuke kiht antud elektrokatalüsaatorit, ning antakse piisav potentsiaal hapniku redutseerimiseks. Reaktsiooniproduktid liiguvad kõik ketaselektroodilt ringelektroodile, millele on antud potentsiaal, millega tunnetab vesinikperoksiidi olemasolu. Vähendades vahemaad ketta välimisel diameetril ja ringi sisemisel diameetril üldiselt lubab vaadelda süsteeme, milles toimuvad kiire kineetikaga reaktsioonid. Lühem vahemaa vähendab aega, mille jooksul produkt jõuab kettalt ringile. Teine oluline parameeter antud elektroodi juures on kogumis efektiivsus, mis näitab, kui suur osa kettal tekkinud produktist jõuab ringelektroodile. Kogumisefektiivsus sõltub väga vähesel määral pöörlemise kiirustest, ning on sõltumatu väga paljudel pöörlemiskiirustel. Elektroodi kokkupanekul tuleb kaalutleda kogumisefektiivuse ja kiiruse vahet. Liiga madal kogumisefektiivsus annab nõrga ja ebatäpse signaali, aga kiirust on vaja, et detekteerida vaheprodukte ja kiire kineetikaga reaktsioone. Sageli tuleb leida nende kahe vahel kompromiss. Kogumise efektiivsus sõltub ketta ja ringi raadiuse suhtest, tavaliselt hoitakse see 40% peal. W.J. Albery, M.L. Hitchman, Ring-Disc Electrodes, Clarendon Press, Oxford, 1971. M.R. Tarasevich, A. Sadkowski, E. Yeager, in: B.E. Conway, J.O’M. Bockris, E. Yeager, S.U.M. Khan, R.E. White (Eds.), Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Vol 7, Plenum Press, New York, 1983, p. 301. Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York, 2nd Edition, 2001. Bagotsky. Fundamentals of Electrochemistry. Moscow, 2nd edition. 2006. Schmidt, T.J.; Paulus, U.A.; Gasteiger, H.A.; Behm R.J. The oxygen reduction reaction on a Pt/carbon fuel cell catalyst in the presence of chloride anions Journal of Electroanalytical Chemistry 508 2001 41-47.