Электрохимия, 2024, № 11
научный журнал
Покупка
Новинка
Тематика:
Электрохимия
Издательство:
Наука
Наименование: Электрохимия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 11 2024 Ноябрь Основан по инициативе А. Н. Фрумкина в январе 1965 г. Выходит 12 раз в год ISSN: 0424-8570 Индекс журнала в каталоге Роспечати 39447 Журнал издается под руководством Отделения химии и наук о материалах РАН Главный редактор Академик РАН А.Ю. Цивадзе Зам. главного редактора В.Н. Андреев, М.А. Воротынцев Ответственный секретарь Е.В. Золотухина Редакционная коллегия: Я.Г. Авдеев, О.В. Бушкова, В.М. Волгин, О.Л. Грибкова, С.С. Ермаков, А.В. Иванищев, О.А. Козадеров, В.В. Кондратьев, А.Г. Кривенко, В.В. Кузнецов, В.А. Курмаз, Н.В. Лысков, К.Н. Михельсон, А.Д. Модестов, В.В. Никоненко, А.М. Скундин, Н.В. Смирнова, Д.Г. Яхваров Международный комитет: К. Аматор (Париж, Франция), Е.В. Антипов (Москва, РФ), П. Атанасов (Ирвин, США), Б.М. Графов (Москва, РФ), А.Д. Давыдов (Москва, РФ), Ю.А. Добровольский (Черноголовка, РФ), Жун Чен (Nankai, Китай), Ю.П. Зайков (Екатеринбург, РФ), Дж. Инзельт (Будапешт, Венгрия), Р.Дж. Комптон (Оксфорд, Англия), П.Й. Кулеша (Варшава, Польша), Д. Орбах (Бар-Илан, Израиль), С. Сатиропулос (Тессалоники, Греция), Й. Ульструп (Лингби, Дания), Х.М. Фелью (Аликанте, Испания), А.Р. Хилман (Лестер, Англия), Ф. Шольц (Грайфсвальд, Германия), А.Б. Ярославцев (Москва, РФ) Консультативный совет: А.Г. Волков (Хантсвил, США), В.А. Гринберг (Москва, РФ), А. Куликовский (Юлих, Германия), Т.Л. Кулова (Москва, РФ), С.А. Мартемьянов (Пуатье, Франция), А.И. Маршаков (Москва, РФ), А. Пронь (Варшава, Польша), Г. Рагойша (Минск, Белоруссия), В.А. Сафонов (Москва, РФ), Я. Стейскал (Прага, Чехия), Е.Е. Ферапонтова (Архус, Дания), В.В. Хартон (Авейро, Португалия) Электронная почта редколлегии журнала “Электрохимия”: rjelectrochemistry@yandex.com Адрес: 119071, Москва, Ленинский проспект, 31 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН Редакция журнала “Электрохимия” e-mail: ftse@mail.ru Зав. редакцией Т.С. Филатикова Москва ФГБУ «Издательство «Наука» © Российская академия наук, 2024 © Редколлегия журнала “Электрохимия” (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 60, номер 11, 2024 Спецвыпуск “Электрохимия-2023”, часть 2 Статьи участников Всероссийской конференции “Электрохимия-2023” (Москва, 23–26 октября 2023 года) Оксиды меди на латунях различного фазового состава: анодное формирование и фотоэлектрокаталитическая активность И. А. Белянская, М. Ю. Бочарникова, С. Н. Грушевская, О. А. Козадеров, А. В. Введенский, С. В. Канныкин 747 Электрохимия Азура С, адсорбированного на стеклоуглероде и печатном графитовом электроде из релина и фосфатного буферного раствора А. В. Порфирьева, Т. Н. Куликова, Г. А. Евтюгин 759 Строение электрохимической границы раздела механически обновляемого графитового электрода с водными растворами поверхностно-неактивного электролита В. А. Сафонов, М. А. Чоба 770 Рекомбинация носителей заряда в аморфных органических полупроводниках С. В. Новиков 783 Регулярные статьи Влияние толщины активного слоя из углеродной сажи на характеристики комбинированных электродов в составе ячейки ванадиевой проточной батареи А. Н. Воропай, Е. Д. Владимир, Е. С. Осетров, А. А. Усенко, Е. О. Дерябина, В. В. Зуева 793 НЕКРОЛОГ Памяти Геннадия Артуровича Евтюгина (29.07.1962–21.10.2024) Коллектив кафедры аналитической химии Казанского федерального университета Г. К. Зиятдинова, М. А. Воротынцев, А. Н. Козицина, К. Н. Михельсон, Е. В. Супрун 803
Contents Vol. 60, No 11, 2024 Special issue “Electrochemistry-2023”, part 2 Articles by participants of the All-Russian conference “Electrochemistry-2023” (Moscow, October 23–26, 2023) Copper Oxides on Brasses of Different Phase Composition: Anode Formation and Photoelectrocatalytic Activity I. A. Belyanskaya, M. Yu. Bocharnikova, S. N. Grushevskaya, O. A. Kozaderov, A. V. Vvedensky, S. V. Kannykin 747 Electrochemistry of Azure C Adsorbed on Glassy Carbon and Screen-printed Graphite Electrode from Reline and Phosphate Buffer A. V. Porfireva, T. N. Kulikova, G. A. Evtugyn 759 Structure of the Electrochemicalinterface of Mechanically Renewable Graphite Electrode with Aqueous Solutions of Surfaceinactive Electrolyte 770 V. A. Safonov, M. A. Choba Charge Carrier Recombinationin Amorphous Organic Semiconductors S. V. Novikov 783 Regular articles The Effect of the Thickness of the Carbon Black Active Layer on the Properties of Combined Electrodes in a Vanadium Flow Battery Cell 793 A. N. Voropay, E. D. Vladimir, E. S. Osetrov, A. A. Usenko, E. O. Deriabina, V. V. Zueva OBITUARIES To memory of Gennady Arturovich Yevtyugin (29.07.1962–21.10.2024) Staff of the Department of Analytical Chemistry of Kazan Federal University G. K. Ziyatdinova, M. A. Vorotyntsev, A. N. Kozitsyna, K. N. Mikhelson, E. V. Suprun 803
ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2024, том 60, № 11, с. 747–758 УДК 544.653 ОКСИДЫ МЕДИ НА ЛАТУНЯХ РАЗЛИЧНОГО ФАЗОВОГО СОСТАВА: АНОДНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ1 © 2024 г. И. А. Белянскаяa, М. Ю. Бочарниковаa, С. Н. Грушевскаяa, *, О. А. Козадеровa, А. В. Введенскийa, С. В. Канныкинa a Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия * e-mail: sg@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 04.03.2024 г. После доработки 27.05.2024 г. Принята к публикации 29.05.2024 г. Оксиды меди в сочетании с другими материалами, например оксидом цинка, рассматриваются в качестве перспективных материалов для фотокаталитических процессов окисления органиче ских примесей или фотоэлектрохимического разложения воды. Одним из способов одностадий ного получения оксидных структур сложного состава является анодное окисление сплавов. Оценка фотокаталитической или фотоэлектрохимической активности полученных материалов возможна по фотоэлектрохимическим параметрам – величине фототока или фотопотенциала, генерируемых при освещении. Цель работы – определить эффективность применения оксидов Cu(I), анодно сформированных в щелочном растворе на сплавах системы Cu-Zn с концентрацией цинка от 34 до 50 ат. %, в процессе фотоэлектрохимического разложения воды. Элементный состав сплавов определен при помощи энергодисперсионного микроанализа. С ростом концентрации цинка в ис следуемом диапазоне концентраций фазовый состав меняется от D- до β-фазы, что подтверждено результатами рентгеновской дифрактометрии. Изменение состава и структуры сплава находит от ражение и в фотоэлектрохимических параметрах анодно сформированных на нем оксидных пле нок. Наиболее перспективным материалом для фотоэлектрокаталитических превращений является оксидная пленка, анодно сформированная в 0.1 M KOH на сплаве с концентрацией цинка 50 ат. % и структурой β-фазы. При сравнительно невысокой концентрации дефектов в ней регистрируются наибольшие значения фототока при довольно высоком значении квантовой эффективности. Ключевые слова: латунь, оксид меди, оксид цинка, анодное оксидообразование, вольтамперо метрия, хроноамперометрия, фототок, фотопотенциал DOI: 10.31857/S0424857024110017, EDN: NQDOAJ COPPER OXIDES ON BRASSES OF DIFFERENT PHASE COMPOSITION: ANODE FORMATION AND PHOTOELECTROCATALYTIC ACTIVITY2 © 2024 I. A. Belyanskayaa, M. Yu. Bocharnikovaa, S. N. Grushevskayaa, *, O. A. Kozaderova, A. V. Vvedenskya, and S. V. Kannykina a Voronezh State University, Voronezh, Russia * e-mail: sg@chem.vsu.ru Copper oxides in combination with other materials, for example, zinc oxide, are considered promising materials for photocatalytic processes of oxidation of organic impurities or photoelectrochemical water splitting. One of the methods for one-stage production of oxide structures of complex composition is the anodic oxidation of alloys. Evaluation of the photocatalytic or photoelectrochemical activity of the obtained materials is possible using photoelectrochemical parameters – the value of photocurrent 1 Статья представлена участником Всероссийской конференции “Электрохимия-2023”, состоявшейся с 23 по 26 октября 2023 года в Москве на базе ИФХЭ РАН. 2 The article was presented by a participant in the All-Russian Conference “Electrochemistry-2023”, held from October 23 to Octo ber 26, 2023 in Moscow at the Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry named after A.N. Frumkin RAS. 747
БЕЛЯНСКАЯ и др. or photopotential generated under illumination. The purpose of the work is to determine the effectiveness of using Cu(I) oxides, anodically formed in an alkaline solution on alloys of the Cu-Zn system with a zinc concentration of 34 to 50 at. %, in the process of photoelectrochemical decomposition of water. The elemental composition of the alloys was determined using energy-dispersive microanalysis. With in creasing concentration of zinc in the studied concentration range, the phase composition changes from D- to β-phase, which is confirmed by the results of X-ray diffractometry. The change in the composition and structure of the alloy is reflected in the photoelectrochemical parameters of the anodic oxide films formed on it. The most promising material for photoelectrocatalytic transformations is an oxide film an odically formed in 0.1 M KOH on an alloy with a zinc concentration of 50 at. % and a β-phase structure. At a relatively low concentration of defects, the highest values of photocurrent are recorded in it at a high enough value of quantum efficiency. Keywords: brass, copper oxide, zinc oxide, anodic oxide formation, voltammetry, chronoamperometry, pho tocurrent, photopotential ВВЕДЕНИЕ цессов окисления органических примесей или фотоэлектрохимического разложения воды рас- Постоянно растущие потребности человече сматриваются оксиды меди [5, 6, 12–16] благода-ства в энергии приводят к появлению серьезных ря нетоксичности, экономической выгодности,экологических проблем [1, 2]. Для их решения относительно узкой ширине запрещенной зоныведутся разработки методов замены традицион (около 1.2–1.9 эВ [5, 16, 17] и 1.9–2.2 эВ [5, 14,ных энергоносителей на возобновляемые и эко 15, 18, 19, 20] для CuO и Cu2O соответственно),логически безопасные [3–6]. К таким методам а также оптимальному расположению зоны про-относится, например, преобразование солнечной водимости и валентной зоны. Максимальные те-энергии с использованием фотоэлектрохимиче оретические значения фототока составляют 15ских систем. В этих системах на электродах протекают электрохимические реакции, в том чис- и 35 мА см–2 для Cu2O и CuO соответственно [17]. ле под действием энергии поглощенного света. Недостатком этих оксидов являются высокая скоС точки зрения практического применения, среди рость рекомбинации носителей заряда и низкая таких реакций на первый план выходит фотоэлек- фотоэлектрохимическая стабильность, обусловтрохимическое разложение воды с образовани- ленная восстановлением до металлической меем газообразного водорода [7–10]. Минималь- ди фотоиндуцированными электронам [21–23]. ным порогом для коммерческого производства Как следствие, квантовый выход не превышает водорода в результате фотоэлектрохимического 2% [6], а экспериментальные значения фототока разложения воды считается 10%-ная квантовая гораздо ниже теоретически ожидаемых. Наприэффективность преобразования солнечной энер- мер, в [24] для CuO зарегистрирован фототок гии и стабильность работы устройства в течение с абсолютным значением лишь 0.35 мА см–2 при 1000 ч при высокой производительности [11]. потенциале 0.5 В относительно обратимого воДля достижения таких характеристик плотность дородного электрода. В [21] фототок регистрифототока, измеряемого при освещении полупро- ровался в оксиде Cu(II) при потенциале 0.4 В отводниковых электродов, должна быть не менее носительно обратимого водородного электрода. 8 мА см–2 в условиях стандартного AM1.5 осве- Фотовозбужденные электроны, создаваемые щения мощностью 100 мВт см–2. при освещении, преимущественно восстанав Определяющую роль в формировании необ- ливают оксид, что приводит к эффективности ходимых количественных характеристик играет образования водорода, не превышающей 0.01%. материал фотоэлектрода. Для высокоэффектив- При освещении фототок быстро уменьшаетного разложения воды полупроводник должен ся, достигая относительно стабильного уровня иметь ширину запрещенной зоны более 3 эВ [11], 0.1…0.2 мА см–2 после 15 мин измерения. что характерно для наиболее часто используемых Улучшить фотоэлектрохимические характериоксидов титана и цинка. Однако такие полупро- стики оксидов меди можно созданием гетеропереводники могут поглощать только ультрафиоле- ходов или защитных слоев с применением дополтовый свет, а расширить диапазон поглощаемого нительных материалов. Так, в [22] исследована света можно за счет применения полупроводни- возможность повышения фотостабильности окков с более узкой шириной запрещенной зоны. сида меди (I) при помощи защищающих от фотоТак, в качестве перспективных материалов для коррозии комплексных слоев. Катодный фототок, солнечной энергетики, фотокаталитических про- измеренный при потенциале 0 В относительно ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 11 2024
ОКСИДЫ МЕДИ НА ЛАТУНЯХ РАЗЛИЧНОГО ФАЗОВОГО СОСТАВА 749 равновесного водородного электрода, составил Cu-Zn в щелочной среде. В зависимости от порекордно высокое значение 7.6 мА см–2 с выходом тенциала окисления на поверхности таких сплапо току процесса образования водорода, близким вов термодинамически возможно формировак 100%. В [23] обнаружено, что использование ние оксидов меди и цинка [31]. На поверхности MoS2 в качестве катализатора Cu2O-фотокатода цинка при его анодном окислении в щелочной увеличивает и его стабильность. В условиях не- среде формируется сложная структура, предпрерывного освещения при pH = 4.0 в течение ставленная тонким слоем оксида ZnO, который 10 ч регистрировалась практически постоянная покрыт рыхлым оксидно-гидроксидным слоем, плотность фототока около 4.5 мА см–2, при pH сформированным по механизму обратного осаж9.0 – около 2.0 мА см–2. дения [32]. При перенапряжении образования Немаловажную роль играет и уровень кристал- оксида цинка менее 1.5 В время существования личности получаемых структур. Следует отме- оксидно-гидроксидного слоя не превышает трех тить, что высокую работоспособность во многих секунд [33], поскольку параллельно с его форфотогенерируемых процессах демонстрируют ге- мированием протекает растворение с преимущетероструктуры на основе оксидов Cu(I) и Zn, по- ственным формированием комплексов Zn(OH)42–. лученные различными способами [6, 18, 20, 25]. По данным [34], растворение цинка затрудняется К таким способам относятся золь-гель-метод, на- и смещается в область более положительных попыление, термическое окисление, электрохими- тенциалов из-за присутствия пленки оксида меди ческое окисление, химическое и электрохимиче- на поверхности. По данным [35, 36], содержание ское осаждение. цинка в сплаве отражается на свойствах анодно В отличие от оксидов меди, оксид цинка спо- сформированных оксидных пленок, определяя собен поглощать лишь ультрафиолетовую часть концентрацию акцепторных дефектов в пленке солнечного света, поскольку ширина запре- оксида Cu(I). щенной зоны достаточно велика и составляет Ранее в наших работах обнаружено, что на 3.30–3.37 эВ [20, 25–30]. Совместное же присут- меди [37] и ее сплавах с содержанием цинка до ствие оксидов расширяет область поглощения 30 ат. % (D-фаза) [38] в области потенциалов форна видимую часть спектра. Квантовая эффектив- мирования оксида Cu(I) в 0.1 M KOH фиксируность ZnO варьируется от 1 до 4% [6]. Комбини- ется катодный фототок и положительный фоторование оксидов меди, как правило, обладающих потенциал, что указывает на p-тип проводимости p-типом проводимости, с оксидом цинка n-типа оксидной пленки. При переходе от меди к сплаформирует гетеропереход II типа [20, 30], позво- вам плотность фототока, зарегистрированного ляющий повысить эффективность разделения при потенциалах формирования оксида Cu(I) носителей зарядов и, как следствие, снизить ско- и мощности освещения 0.1 мВт см–2, уменьшаетрость их рекомбинации. Эти факторы приводят ся от 2.2 [37] до 0.05–0.04 мкА см–2 [38], т. е. фок повышению фотоэлектрокаталитических ха- токаталитическая активность оксидных пленок рактеристик получаемого материала. снижается. Например, в [25] показано, что электрохими- В данной работе исследуются сплавы с конческое осаждение оксида цинка на оксид Cu(I) центрацией цинка от 34 до 50 ат. %, в структуре приводит к повышению плотности катодного которых возможно появление β-фазы. Изменефототока в 3–4 раза в зависимости от толщины ние структуры сплава может найти отражение слоя ZnO. В качестве фотоэлектрода для разло- и в фотоэлектрокаталитических свойствах аножения воды эффективным оказался материал дно сформированных на нем оксидных пленок. ZnO/Cu2O, полученный химическим и электро- Эти свойства оценивались по фотоэлектрохихимическим осаждением [26]. Для фотокаталити- мическим параметрам – плотности фототока, ческой очистки воды от органических примесей регистрируемого во время поляризации, а также и красителей успешно применена композиция фотопотенциала, регистрируемого после ее отCu2O/ZnO, полученная двухстадийным химиче- ключения. Факт появления фототока и фотопоским осаждением [18, 27]. Электроды для солнеч- тенциала свидетельствует о наличии на поверхных батарей состава ZnO/Cu2O были получены ности полупроводниковой фазы. Полярность в [28, 29] при помощи электрохимического осаж- фотоотклика указывает на тип проводимости, дения и последующего отжига. а амплитуда позволяет не только оценить эффек Одним из достаточно простых, одностадий- тивность применения оксида для фотоэлектрохиных способов получения подобных структур мического разложения воды, но и рассчитать ряд является анодное окисление сплавов системы его структурно-зависимых параметров. ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 11 2024
БЕЛЯНСКАЯ и др. Цель работы – определить эффективность при- Один из них используется как вспомогательный менения оксидов Cu(I), анодно сформированных для поляризации электрода, другой – как элекв щелочном растворе на сплавах системы Cu-Zn трод сравнения для регистрации фотопотенцис концентрацией цинка от 34 до 50 ат. %, в процес- ала. Электродом сравнения в поляризационных се фотоэлектрохимического разложения воды. измерениях служил оксидсеребряный электрод, изготовленный путем электрохимического окис ления серебра в гальваностатическом режиме при ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ I = 5 мА в течение 20 мин. Потенциал такого элек Поликристаллическая медь чистотой трода относительно стандартного водородного 99.99 ат. % была сплавлена с поликристалличе- равен 0.430 В. Далее все потенциалы приведены ским цинком чистотой 99.99 ат. % в вакууми- в шкале стандартного водородного электрода. рованных кварцевых ампулах при температуре В дно ячейки вставлена кварцевая пластина 1373 К в течение 3 ч, длительность охлаждения толщиной 1 мм, через которую осуществлялось до комнатной температуры составляла 12 ч. импульсное облучение электрода. Длительность Из полученных сплавов изготовлены элект- импульса составляла 1 мкс, частота – 5 Гц, мощроды цилиндрической формы с площадью ос- ность освещения Р = 0.1 мВт см–2. Источник нования 0.3–0.6 см2 (табл. 1), представляющего облучения – квазимонохроматический сверхърабочую поверхность. К противоположному ос- яркий светодиод фирмы “LIGITEK” с длиной нованию цилиндра присоединен токоподвод. Вся волны 470 нм. Для удаления электромагнитных поверхность, кроме рабочей, закрыта оболочкой помех использовался металлический экран. из полимеризованной эпоксидной смолы. Механически подготовленный рабочий элект Перед каждым экспериментом проводилась род подвергался катодной поляризации в условиях механическая подготовка рабочей поверхности естественного освещения при Ес = –1.1 В в 0.1 М электродов, которая заключалась в шлифовке на растворе KOH в течение 300 с для восстановления наждачной бумаге с последовательно уменьшаю- воздушно-окисных пленок и стандартизации сощейся зернистостью (Р1000, Р2500), полировке на стояния поверхности. После катодной поляризазамше и обезжиривании изопропиловым спиртом. ции осуществлялось сканирование потенциала со Электрохимические исследования проведе- скоростью 1 мВ с–1 от Ес до Е = 0.4 В и в обратном ны на потенциостате IPC–Сompact (изготовлен направлении в условиях естественного освещения. в Институте физической химии и электрохимии Оксид меди для фотоэлектрохимических изим. А.Н. Фрумкина РАН, Москва). Фотоэлектро- мерений в условиях импульсного освещения свехимические исследования выполнены при помо- тодиодом получали на сплавах после предварищи потенциостата Сompact-2015 Photo Edition, тельной катодной подготовки при потенциалах изготовленного в лаборатории возобновляемых формирования оксида Cu(I), определенных по источников энергии Санкт-Петербургского На- результатам анодной вольтамперометрии. ционального Исследовательского Академического Университета им. Ж.И. Алферова РАН. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ Все исследования проведены в щелочной сре- РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ де с pH 12.89. Приготовленный из бидистиллированной воды и “х. ч.” реактива раствор 0.1 М Исследование элементного и фазового состава сплавовKОН деаэрировался “х. ч.” аргоном в течение 2 ч. Трехэлектродная ячейка из оргстекла с нераз- Элементный состав полученных сплавов деленными катодным и анодным пространства- исследовали методом энергодисперсионного ми оснащена двумя платиновыми электродами. рентгеновского микроанализа на растровом Таблица 1. Условные обозначения, элементный состав, параметр кристаллической решетки сплавов системы Cu-Zn и геометрическая площадь поверхности электродов ω, % ω, % a, Å a, Å Образец XCu, ат. % XZn, ат. % S, см2 (α-фаза) (β-фаза) (α-фаза) (β-фаза) Cu34Zn 66.07 ± 0.50 33.93 ± 0.49 100 0 3.697 ± 0.001 – 0.34 Cu38Zn 61.55 ± 0.49 38.45 ± 0.47 88 12 3.706 ± 0.001 2.952 ± 0.002 0.39 Cu44Zn 55.65 ± 0.49 44.35 ± 0.47 29 71 3.730 ± 0.002 2.959 ± 0.001 0.58 Cu50Zn 49.95 ± 0.49 50.05 ± 0.47 0 100 – 2.960 ± 0.001 0.35 ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 11 2024