Nanosized Complex of Metal–Ion-Exchanger Composites in the Oxygen Electrochemical Reduction

T. A. Kravchenko; Кравченко Т. А.; V. A. Krysanov; Крысанов В. А.; I. A. Golovin; Головин И. А.

doi:10.31857/S0424857023030052

Наноразмерный комплекс металл-ионообменных композитов в электрохимическом восстановлении кислорода

Авторы: Кравченко Т.А.¹, Крысанов В.А.¹, Головин И.А.¹
Учреждения:
1. Воронежский государственный университет, Химический факультет
Выпуск: Том 59, № 3 (2023)
Страницы: 134-142
Раздел: Статьи
URL: https://journal-vniispk.ru/0424-8570/article/view/139244
DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857023030052
EDN: https://elibrary.ru/HWQUUO
ID: 139244

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Выявлена роль первичного (размер частиц) и вторичного (содержание частиц в материале) размерных эффектов металл-ионообменных композитов в электрохимическом восстановлении кислорода. С этой целью получены металл-ионообменные зернистые нанокомпозиты с различным размером и содержанием частиц металла (Cu) на основе макропористой сульфокатионообменной матрицы (Lewatit K 2620) в виде сферических зерен. Рентгенографически установлено, что базовые частицы осажденного металла имеют наномасштабный размер. Обнаружена особенность, согласно которой при повторяющихся циклах химического осаждения частиц металла в поры ионообменной матрицы возрастают как емкость \(\varepsilon ,\) так и радиус \({{r}_{0}}\) частиц. В связи с этим первичный и вторичный эффекты оказываются взаимосвязанными в общий наноразмерный комплекс \(f = {\varepsilon \mathord{\left/
{\vphantom {\varepsilon {{{r}_{0}}}}} \right.} {{{r}_{0}}}}.\) С увеличением емкости он растет до определенного предельного значения, что связано с перколяционным переходом от отдельных кластеров металла к коллективным ассоциатам. Соответственно, удельное количество восстановленного кислорода также достигает постоянной величины. Процесс электровосстановления кислорода выходит на квазистационарный режим.

Ключевые слова

наночастицы металлов, ионообменная матрица, нанокомпозит, кислород, электровосстановление, наноразмерные эффекты

Список литературы

Farzad, E., Nanocomposites: new trends and developments, Books on Demand, 2016. 503 p.
Shahinpoor, M., Ionic Polymer Metal Composites (IPMCs). Smart Multi-Functional Materials and Artificial Muscles, Royal Society of Chemistry, 2016. 429 p.
Хорольская, С.В., Полянский, Л.Н., Кравченко, Т.А., Конев, Д.В. Кооперативные взаимодействия наночастиц металла в ионообменной матрице с растворенным в воде кислородом. Журн. физ. химии. 2014. Т. 88. № 6. С.1002. [Khorolskaya, S.V., Polyanskii, L.N., Kravchenko, T.A., and Konev, D.V., Cooperative interactions of metal nanoparticles in the ion-exchange matrix with oxygen dissolved in water, Russ. J. Phys. Сhem. A., 2014, vol. 88, no. 6, p.1000.]
Кравченко, Т.А., Золотухина, Е.В., Чайка, М.Ю., Ярославцев, А.Б. Электрохимия нанокомпозитов металл–ионообменник, М.: Наука, 2013. 361 с. [Kravchenko, T.A., Zolotukhina, E.V., Chaika, M.Yu., and Yaroslavtsev, A.B. Electrochemistry of nanocomposites metal–ion exchanger (in Russian), Moscow: Nauka, 2013. 361 p.]
Кравченко, Т.А., Полянский, Л.Н., Калиничев, А.И., Конев, Д.В. Нанокомпозиты металл–ионообменник, М.: Наука, 2009. 391 с. [Kravchenko, T.A., Polyansky, L.N., Kalinichev, A.I., and Konev, D.V. Nanocomposites metal–ion exchanger (in Russian), Moscow: Nauka, 2009. 391 p.]
Kravchenko, T.A., Khorolskaya, S.V., Polyanskiy, L.N., and Kipriyanova, E.S., Investigation of the mass transfer process in metal – ion exchanger, In book Nanocomposites: Synthesis, Characterization and Application, Ed. Wang, X. N.Y.: Nova Science Publishers, 2013. p. 329–348.
Volkov, V.V, Kravchenko, T.A, and Roldughin, V.I., Metal nanoparticles in catalytic polymer membranes and ion-exchange systems for advanced purification of water from molecular oxygen, Russ. Chem. Rev., 2013, vol. 82, no. 5, p. 465.
Новикова, С.А., Ярославцев, А.Б. Синтез и транспортные свойства мембранных материалов с металлическими частицами меди и серебра. Сорбционные и хроматографические процессы. 2008. Т. 8. № 6. С. 887. [Novikova, S.A. and Yaroslavtsev, A.B., Synthesis and transport properties of membrane materials with metal particles of copper and silver, Sorption and chromatographic processes, 2008, vol. 8, no. 6, p. 887.]
Сергеев, Г.Б. Нанохимия. М.: МГУ, 2007. 336 с. [Sergeev, G.B., Nanochemistry(in Russian), Moscow: MSU, 2007. 336 p.]
Ростовщикова, Т.Н., Смирнов, В.В., Кожевин, В.М., Явсин, Д.А., Гуревич, С.А. Межкластерные взаимодействия в катализе наноразмерными частицами. Рос. нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 1–2. С. 47. [Rostovshchikova, T.N., Smirnov, V.V., Kozhevin, V.M., Yavsin, D.A., and Gurevich, S.A., Intercluster interactions in catalysis by nanoscale particles, Russ. nanotechnology (in Russian), 2007, vol. 2, nos. 1–2, p. 47.]
Трипачев, О.В., Тарасевич, М.Р. Размерный эффект в электровосстановлении кислорода на золоте в широком диапазоне pH. Журн. физ. химии. 2013. Т. 87. С. 835. [Tripachev, O.V. and Tarasevich, M.R., Dimensional effect in electroconduction of oxygen on gold in a wide pH range, Russ. J. Phys. Chem. A, 2013, vol. 87, p. 820.]
Erikson, H., Lusi, M., Sarapuu, A., Tammeveski, K., Solla-Gullon, J., and Feliu, J.M., Oxygen electroreduction on carbon-supported Pd nanotubts in acid solutions, Electrochim. Acta, 2016, vol. 188, p.301.
Lu, Y. and Chen, W., Size effect of silver nanoclastes on their catalytic activity for oxygen electro-reduction, J. Power Sources, 2012, vol. 107, p. 107.
Cuenya, B.R. and Behafarid, F., Nanocatalysis: size- and shape-dependent chemisorption and catalytic reactivity, Surface Sci. Reports, 2015, vol. 70, p. 135.
Sarkar, S., Guibal, E., Quignard, F., and Sen Gupta, A.K., Polymer-supported metals and metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization, and applications, J. Nanopart. Res., 2012, vol. 14, p. 715.
Selvaraju, T. and Ramaraj, R., Nanostructured copper particles-incorporated Nafion-modified electrode for oxygen reduction, J. Phys., 2005, vol. 65, no. 4, p. 713.
Горшков, В.С., Захаров, П.Н., Полянский, Л.Н., Чайка, М.Ю., Кравченко, Т.А., Крысанов В.А. Композиты ионообменной мембраны МФ-4СК с наночастицами металлов и активным углем Norit 30 в реакции электровосстановления кислорода. Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 4. С. 601. [Gorshkov, V.S., Zakharov, P.N., Polyansky, L.N., Chaika, M.Yu., Kravchenko, T.A., and Krysanov, V.A., Composites of the MF-4SK ion exchange membrane with metal nanoparticles and Norit 30 activated carbon in the reaction of oxygen electroconduction, Sorption and chromatographic processes (in Russian), 2014, vol. 14, no. 4, p. 601.]
Фертикова, Т.Е., Фертиков, С.В., Исаева, Е.М., Крысанов, В.А. Кравченко, Т.А. Новые нанокомпозиты для глубокой деоксигенации воды. Конденсированные среды и межфазные границы. 2021. Т. 23. № 43. С. 614. [Fertikova, T.E., Fertikov, S.V., Isaeva, E.M., Krysanov, V.A., and Kravchenko, T.A., New nanocomposites for deep deoxygenation of water, Condensed Matter and Interphases (in Russian), 2021, vol.23, no. 43. p. 614.]
Кравченко, Т.А., Шевцова, Е.А., Крысанов, В.А. Наноразмерные эффекты металл-ионообменных композитов в электрохимическом восстановлении растворенного в воде кислорода. Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 5. С.630. [Kravchenko, T.A., Shevtsova, E.A., and Krysanov, V.A., Nanoscale effects of metal-ion-exchange composites in electrochemical reduction of oxygen dissolved in water, Sorption and chromatographic processes, 2021, vol. 21, no. 5, p. 630.]
Кравченко, Т.А., Вахнин, Д.Д., Придорогина, В.Е., Шафрова, М.Ф. Электрохимическая активность металл-ионообменных нанокомпозитов. Электрохимия. 2019. Т. 55. С.1524. [Kravchenko, T.A., Vakhnin, D.D., Pridorogina, V.E., and Shafrova, M.F., Electrochemical Activity of Metal–Ion Exchanger Nanocomposites, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 1251.]
Информация о продукте Lewatit K 2620. Режим доступа: http://filtroxrus.ru/uploads/files/smoly_LEWATIT/К%202620-RUS.pdf (дата обращения: 10.07.2022). [Product Information Lewatit K 2620. Access mode: http://filtroxrus.ru/uploads/files/smoly_LEWATIT/К%202620-RUS.pdf (accessed: 10.07.2022)].
Cелеменев, В.Ф., Славинская, Г.В., Хохлов, В.Ю., Иванов, В.А., Горшков, В.И., Тимофеевская, В.Д. Практикум по ионному обмену. Учеб. пособие. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 2004. 160 с. [Selemenev, V.F., Slavinskaya, G.V., Khokhlov, V.Yu., Ivanov, V.A., Gorshkov, V.I., and Timofeevskaya, V.D. Workshop on ion exchange (in Russian). Study guide. Voronezh: Voron. State Univer. Publ. House, 2004. 160 p.]