Électrode à disque tournant

L'électrode à disque tournant ou EDT (Rotating Disk Electrode ou RDE en anglais) est une électrode de travail hydrodynamique utilisée dans une cellule à trois électrodes^[1]. Elles sont couramment utilisées pour des études de cinétique électrochimique en régime stationnaire. Cela vient du fait qu'il est possible, sous certaines hypothèses, de résoudre les équations de Navier-Stokes dans le cas d'une EDT, c’est-à-dire de connaître la vitesse et la direction du flux d'électrolyte au voisinage de l'EDT. Et, ainsi, de connaître les concentrations volumiques des espèces électroactives à la surface de l'EDT.

Une EDT est tout simplement un disque en rotation autour de son axe à une vitesse angulaire constante.

Propriétés de l'EDT

La validité des formules suivantes est le fruit d'un compromis car toutes ces formules sont issues de la résolution des équations de Navier-Stokes en régime laminaire. Or, ce régime laminaire n'est possible qu'en l'absence de turbulence (c’est-à-dire si la vitesse angulaire de rotation de l'électrode Ω n'est pas trop élevée) et si on néglige les effets de bords (c’est-à-dire, a contrario, si Ω n'est pas trop faible). Pour une électrode à disque tournant, le nombre de Reynolds est donné par la relation suivante :

${\displaystyle \mathrm {R_{e}} ={\frac {r_{0}^{2}\cdot \Omega }{\nu }}\ }$

Avec

• r₀ : rayon de l'électrode ;
• Ω : vitesse de rotation angulaire en rad⋅s^-1 ;
• ν : viscosité cinématique de l'eau = 8,94⋅10^-7 m²/s.

Un régime laminaire est établi si :

${\displaystyle \mathrm {Re} \leqslant 1,7\cdot 10^{5}}$ ;

un régime turbulent est établi si :

${\displaystyle \mathrm {Re} \geqslant 3,5\cdot 10^{5}}$.

Classiquement, les formules suivantes s'appliquent pour un régime laminaire à un électrolyte aqueux si :

${\displaystyle 100<\Omega <1\cdot 10^{4}\,{\text{tr}}\cdot {\text{min}}^{-1}}$.

Si on note x la distance à l'axe de l'électrode exprimée en cm, on se satisfait généralement pour un électrolyte aqueux de la précision donnée par la relation suivante :

${\displaystyle \mathrm {V} _{x}(x)=-0,510\,\nu ^{-{\frac {1}{2}}}\Omega ^{\frac {3}{2}}x^{2}}$

où

• ν est la viscosité dynamique de la solution exprimée en cm²⋅s^-1 et
• Ω la vitesse angulaire de rotation de l'électrode exprimée en rad⋅s^-1.

La constante de vitesse de transport de matière d'une espèce électroactive volumique i s'écrit alors sous la forme :

${\displaystyle m_{\mathrm {X} i}=0,620\mathrm {D} _{\mathrm {X} i}^{\frac {2}{3}}\nu ^{-{\frac {1}{6}}}\Omega ^{\frac {1}{2}}}$.

Autres électrodes tournantes utilisées en laboratoire

Les études de cinétique électrochimique peuvent aussi faire appel à des électrodes à cylindre tournant, des électrodes hémisphériques rotatives…

Références

1. Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000.

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