L’elettrodo a disco rotante (RDE) è uno dei sistemi di elettrodi convettivi più diffusi, impiegato soprattutto per la ricerca sulla cinetica delle reazioni elettrochimiche, grazie alla sua capacità di fornire gradienti di concentrazione uniformi lungo la superficie dell’elettrodo. Durante la rotazione dell’elettrodo, il reagente è convogliato verso la superficie, mentre il prodotto viene sbarazzato da essa. La convezione è regolabile attraverso la variazione della velocità di rotazione dell’elettrodo, creando un profilo di flusso laminare definito che consente un’analisi quantitativa secondo l’equazione di Levich.
Principi teorici dell’elettrodo a disco rotante
Il flusso laminare su un elettrodo a disco rotante garantisce un costante trasporto di materiale dalla soluzione alla superficie dell’elettrodo. Mentre la soluzione lontana dall’elettrodo è agitata dalla convezione, quella adiacente tende a seguire il movimento dell’elettrodo, risultando relativamente inattiva. Questo strato inattivo, noto come strato limite idrodinamico, presenta variazioni significative nella concentrazione.
Lo spessore dello strato limite ∂H è descritto dall’equazione:
∂H = 3.6 (ν/ω)1/2
in cui ν è la viscosità cinematica e ω la velocità di rotazione angolare. Il movimento netto del materiale è definito da principi di convezione-diffusione; mentre il trasporto di massa avviene per convezione, vicino alla superficie dell’elettrodo, la diffusione diventa predominante. Lo spessore dello strato di diffusione ∂F è approssimato da:
∂F = 1.61 DF1/3ν1/6ω-1/2, dove DF rappresenta il coefficiente di diffusione.
Equazione di Levich
Levich ha fornito una trattazione matematica della convezione e della diffusione verso l’elettrodo a disco rotante, evidenziando che la corrente osservata è proporzionale alla radice quadrata della velocità di rotazione. L’equazione di Levich è espressa come segue:
iLC= 0.620 nFAD2/3 ω1/2 v-1/6 Cox
In questa formula, iLC rappresenta la corrente limite catodica. L’equazione è utile per calcolare il coefficiente di diffusione D in funzione della velocità di rotazione ω e della corrente i.
Componenti
L’elettrodo a disco rotante è realizzato con un disco conduttivo, in genere in metalli nobili, carbonio vetroso o altri materiali conduttivi, integrato in un polimero inerte, come il politetrafluoroetilene, per garantire stabilità e prevenire interferenze elettriche. La configurazione include un elettrodo di lavoro, un elettrodo di riferimento e un controelettrodo, essenziali per il corretto funzionamento del sistema.
Un assemblaggio accurato assicura una corretta acquisizione dei dati ed evita variabilità sperimentale.
Vantaggi
Il sistema RDE offre un flusso costante di analita alla superficie dell’elettrodo, consentendo di studiare vari fenomeni elettrochimici, tra cui cinetica di trasferimento elettronico, processi di adsorbimento/desorbimento e meccanismi di reazione. Esso garantisce condizioni in cui la corrente stazionaria è controllata dal flusso della soluzione, risultando in maggiore accuratezza durante le misurazioni. L’elettrodo a disco rotante trova applicazione in numerosi campi, come studi di corrosione, ricerca su celle a combustibile, sviluppo di catalizzatori e controllo del trasporto di massa dei reagenti.
Applicazioni
Questa tecnologia è utilizzata nella simulazione di ambienti corrosivi nell’industria petrolifera e nella chimica analitica per la voltammetria idrodinamica, indispensabile per esplorare i meccanismi delle reazioni di ossidoriduzione. Inoltre, risulta fondamentale nella caratterizzazione della cinetica dei biocatalizzatori enzimatici e nello studio delle caratteristiche di diffusione del substrato sulla superficie reattiva.
