【コラム】回転電極を用いた層流および乱流条件下での電気化学。 BizChat ついてフィードバックする

溶液中の化学種の電気化学的酸化では、物質移動は酸化の電荷移動速度よりも高い速度で発生します。電荷移動は測定電流の増加とともに増大します。この現象は、両者の速度が等しくなるまで続き、その結果、電流は最大値に達します。その後は、物質移動が電荷移動よりも遅くなり、電流が減少します。

これらの現象により得られるボルタモグラムには、電流のピークが現れます。

例えば、図1は、静止したフェロ-フェリ溶液中においてFe⁺²からFe⁺³への酸化を行った際の、異なる走査速度によるボルタモグラムを示しています。 

ここから、走査速度が高いほどピーク電流も高くなることがわかります。

層流

層流は、流体が層状に移動することを特徴とします。各層は隣接する層の間を、ほとんどまたは全く混合することなく移動します。図2には、回転電極に関連した層流の模式図が示されています。

層流を伴う流体力学的条件下での電気化学反応では、物質移動が反応速度よりも速い速度で起こるまで電流が増加します。最終的に電流は、酸化還元反応速度と物質移動速度が等しくなる制限値に達し、その結果、ボルタモグラムにプラトーが現れます。この制限値は反応が完了するまで一定に保たれます。制限電流は電極の回転速度に比例し、図3に示すように、流体力学的条件下でのFe⁺²からFe⁺³への酸化の検討において確認できます。

この場合、回転速度が高いほど制限電流も高くなります。

乱流

乱流は、流速および圧力の無秩序な変化によって生じます。これは回転電極の側面に存在します（図4）。

回転電極を用いた測定によって生じる乱流は、例えば配管内で見られるものと類似した条件を再現します。 

回転ディスク電極

回転ディスク電極（RDE）は、活性表面としてディスクを備えた円筒形の電極です。このディスクは、金属、グラッシーカーボン、または合金で構成されています（図5）。

グラッシーカーボンは、水素還元に対して不活性な電極であり、その表面に吸着または堆積した触媒を支持するため、電気触媒分野で使用されます。

RDEは層流を発生させるために使用され、電解質の特性を調査する基礎電気化学実験でよく用いられます。また、触媒の性能を測定する電気触媒研究や、検出メカニズムを調査するセンサーにも利用されます。

回転リングディスク電極

回転リングディスク電極（RRDE）は、2つの活性表面領域を備えた円筒形の電極であり、その両方が作用電極として機能します（図6）。一方の作用電極は、白金、金、またはグラッシーカーボン製のディスクです。もう一方の作用電極は、白金製のリングです。

前のセクションで説明したRDEと同様に、RRDEも層流を発生させるために使用されます。研究者は主に電気触媒実験において、さまざまな触媒の性能を測定するためにRRDEを使用します。RRDEは反応メカニズムの研究にも使用されます。例えば、酸素還元反応中に生成される過酸化水素は、反応中間体を検出することで研究されます。また、RRDEは電気めっきの研究においても重要な役割を果たします。

回転円筒電極

回転円筒電極（RCE）は、活性表面として機能する金属製インサートを備えた円筒形の電極です（図7）。

RCEは主に腐食研究で使用されます。これは、RCEに沿って発生する乱流が、特定の厚さおよび直径を持つ配管内部の乱流と類似しているため、その乱流を利用するためです。例えば、RCEの一般的な用途の一つとして、石油化学産業において、線形分極法（LP）または電気化学インピーダンス分光法（EIS）を用いて、配管に対するさまざまな腐食抑制剤の効果を調査することが挙げられます。