L’elettrodo a disco rotante (RDE) rappresenta uno dei metodi più diffusi tra i sistemi di elettrodi convettivi. Questo strumento è impiegato in modo esteso nella ricerca scientifica per indagare la cinetica delle reazioni elettrochimiche, poiché garantisce la formazione di gradienti di concentrazione uniformi sulla superficie dell’elettrodo durante le operazioni elettrochimiche.
Principi teorici dell’elettrodo a disco rotante
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La rotazione dell’elettrodo favorisce il trasporto del reagente verso la sua superficie, mentre i prodotti vengono allontanati in modo efficiente. Regolando la velocità di rotazione, è possibile gestire la convezione e ottenere un flusso laminare ben definito, che permette un’analisi quantitativa basata sull’equazione di Levich, sviluppata dal chimico fisico Beniamin Grigorievich Levich Beniamin Grigorievich Levich. In tali condizioni, il flusso laminare assicura che le particelle del fluido seguano traiettorie uniformi e stabili, con un minimo di interazioni tra strati adiacenti. Tra i vantaggi di questa tecnologia emergono la capacità di misurare il numero di elettroni coinvolti in una reazione, la concentrazione dei reagenti, il coefficiente di diffusione e la costante cinetica. Nel contesto del flusso laminare, il materiale viene convogliato costantemente dalla soluzione alla superficie dell’elettrodo. La zona lontana dall’elettrodo rimane agitata dalla rotazione, mentre la regione vicina tende a ruotare con l’elettrodo, formando uno strato limite idrodinamico dove si verifica una rapida variazione di concentrazione. Lo spessore di questo strato, indicato come ∂H, può essere calcolato con l’equazione approssimata: ∂H = 3.6 (ν/ω)^(1/2), dove ν rappresenta la viscosità cinematica della soluzione e ω la velocità di rotazione angolare. Il trasporto di massa avviene principalmente per convezione nello strato inattivo, ma vicino alla superficie, la diffusione prevale, attraversando uno strato di diffusione più sottile, il cui spessore ∂F è dato da: ∂F = 1.61 D_F^(1/3) ν^(1/6) ω^(-1/2), con D_F che indica il coefficiente di diffusione.
Equazione di Levich
L’equazione di Levich fornisce la prima descrizione matematica del trasporto per convezione e diffusione verso un elettrodo a disco rotante, mostrando che la corrente è direttamente proporzionale alla radice quadrata della velocità di rotazione. La formula è: i_LC = 0.620 n F A D^(2/3) ω^(1/2) v^(-1/6) C_ox, dove i_LC è la corrente limite catodica in Ampere, n il numero di elettroni trasferiti, F la costante di Faraday in C/mol, A l’area dell’elettrodo in cm², D il coefficiente di diffusione in cm²/s, ω la velocità di rotazione in radianti/sec, v la viscosità cinematica in cm²/s e C_ox la concentrazione della forma ossidata in mol/cm³. Questa equazione consente di determinare il coefficiente di diffusione D in base alla velocità di rotazione e alla corrente misurata. In casi in cui la soluzione contiene solo la forma ridotta, una variante simile si applica alla corrente limite anodica, sostituendo C_ox con la concentrazione della forma ridotta.
