Отправить статью по E-mail Синтез Магнели-фаз в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы
- Авторы: Шаненков И.И.1,2, Никитин Д.С.2, Насырбаев А.Р.2, Циммерман А.И.2, Сивков А.А.2
-
Учреждения:
- Тюменского государственного университета
- Национального исследовательского Томского политехнического университета
- Выпуск: Том 335, № 11 (2024)
- Страницы: 185-196
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/2500-1019/article/view/276201
- DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/11/4847
- ID: 276201
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность исследования связана с поиском подходящих для разложения воды и получения водорода фотокаталитических материалов, которые проявляют активность при облучении видимым светом, а также являются доступными, химически стабильными и безопасными. В этой связи выделяется ряд материалов с общей формулой TinO2n-1 (n=2–10), называемых Магнели-фазами. Несмотря на то, что Магнели-фазы проявляют существенно более высокую фотокаталитическую активность в сравнении с традиционными оксидами титана (рутилом, анатазом, брукитом), их практическое применение в настоящий момент крайне затруднено в связи со сложностью их синтеза. Перспективными являются подходы, обеспечивающие хорошо контролируемые условия с возможностью быстрой стабилизации системы, среди которых выделяются плазменные методы синтеза.
Цель: разработка метода синтеза продукта, содержащего Магнели-фазы, в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы.
Объекты: дисперсные материалы, полученные в системе Ti-O.
Методы: плазмодинамический синтез, рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ), сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия.
Результаты. С использованием высокоскоростной струи электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем, проведены экспериментальные исследования по синтезу нестехиометрических оксидов титана в среде углекислого газа. Проведены исследования состава и микроструктуры полученных дисперсных продуктов. Выявлено, что материалы содержат Магнели-фазы TinO2n−1, а также традиционные стехиометрические рутил и анатаз. С точки зрения эффективности получения Магнели-фаз более привлекательным является одноимпульсный режим работы (содержание более 50 %), в то время как эффективность конверсии CO2 выше в многоимпульсном режиме (до 10 % CO2 переходит в CO). Отличительной особенностью синтезированных материалов как на микро-, так и на наноуровне является склонность к формированию частиц с высокой степенью сферичности. Нанофракция продуктов в основном состоит из округлых частиц с размерами до сотен нанометров, из которых к Магнели-фазам в первую очередь относятся наночастицы с характерной высокодефектной кристаллической структурой с дислокационными сдвигами.
Полный текст
Введение
Наблюдающийся в настоящий момент экспоненциальный рост населения Земли создает колоссальную нагрузку на георесурсы планеты, прежде всего, в форме ископаемого топлива, которое продолжает удовлетворять большую часть энергетических потребностей человечества [1]. Тем не менее невозобновляемый характер ископаемого топлива и выделение при его сгорании токсичных и парниковых газов заставляют исследовательское сообщество рассматривать в качестве альтернативы различные возобновляемые энергетические ресурсы [2]. Водород сегодня считается одним из наиболее важных и перспективных альтернативных источников энергии [3]. При этом в действительности снизить потребление георесурсов и обеспечить их более энергоэффективное использование, а также уменьшить негативное воздействие на окружающую среду можно только при использовании «зеленого» водорода, произведенного без использования ископаемого топлива [4]. Это можно реализовать, прежде всего, в процессе фотокаталитического разложения воды, для протекания которого необходимо присутствие высокоэффективных катализаторов [5]. В последние десятилетия в качестве фотокатализаторов при разложении воды рассматриваются оксиды металлов [6], прежде всего, титана [7].
Сегодня оксиды титана занимают значительное место в различных отраслях промышленности, где они используются в качестве агента в красках, пластмассах, бумажном текстиле и чернилах, в косметических продуктах и пищевых добавках, коррозионностойких компонентах, антибактериальных веществах, в системах очистки воды и воздуха, а также для создания самоочищающихся поверхностей [8–10]. Выбор оксидов титана (в первую очередь, в наноразмерном состоянии) в качестве фотокаталитических материалов обусловлен их активностью при облучении светом, доступностью, высокой химической стабильностью, низкой токсичностью, повышенным коэффициентом пропускания света [11]. Наиболее изученными структурами в химической системе «титан–кислород» являются три кристаллические модификации стехиометрического TiO2: рутил, анатаз и брукит [12]. Существенный недостаток традиционных структур TiO2 состоит в том, что они проявляют фотокаталитическую активность в основном при ультрафиолетовом излучении, которое составляет не более 5 % от общей энергии солнечного света [13].
Повышение каталитической эффективности Ti-O наноструктур при работе во всей области солнечного спектра возможно при использовании многочисленных нестехиометрических оксидов (субоксидов) титана. В этой связи выделяется ряд материалов с общей формулой TinO2n-1 (n=2–10), называемых Магнели-фазами [14, 15]. Фактически Магнели-фазы – это структуры с очень высокими концентрациями точечных дефектов, образованные из исходной структуры рутила путем ряда кристаллографических сдвигов, что объясняет их необычную стехиометрию [16]. Изначально эти материалы привлекали внимание ученых своей высокой электропроводностью (близкой к металлической) и химической/термической стабильностью [17, 18]. Предполагается их использование в электропроводящих мембранах и электродах, применяемых при разложения загрязняющих веществ в воде и других средах, в аккумуляторных батареях, а также в микроэлектронике и микроэлектромеханических системах [19, 20]. В настоящий момент однозначно показано, что Магнели-фазы проявляют существенно более высокую фотокаталитическую активность в сравнении с традиционными оксидами титана, причем в условиях отсутствия какого-либо внешнего сокатализатора [21].
Практическое применение наноструктур на основе Магнели-фаз в настоящий момент затруднено в связи со сложностью их синтеза [22]. Обычно они синтезируются путем восстановления рутила TiO2 при высоких температурах 600–1000 °C в следующей последовательности: TiO2→TinO2n−1 (n>10)→ TinO2n−1 (4<n<10)→Ti3O5→Ti2O3→TiO→Ti2О [23, 24]. Отсюда видно, что Магнели-фазы являются промежуточными продуктами, для выделения которых необходимо обеспечить хорошо контролируемые условия (включая температуру, время и наличие восстановителей) с высокой химической чистотой реагентов и возможностью быстрой стабилизации системы в узком диапазоне фазовой диаграммы [23, 25]. Последнее особенно важно, поскольку процесс формирования Магнели-фаз может являться обратимым и приводить к образованию рутила [26]. Одним из наиболее перспективных подходов для обеспечения указанных условий и получения соответствующих структур системы Ti-O является синтез при термическом распылении в пламени или плазме [27–29]. В этом случае достигаются повышенные температуры в реакционной зоне при высоких скоростях нагрева и охлаждения системы [30]. Благодаря уникальным условиям, создаваемым в реакционной зоне, плазмохимический синтез является универсальным путем получения металлооксидных и других функциональных материалов [31–33].
В настоящей работе в качестве среды для реализации условий получения Магнели-фаз выбрана высокоскоростная струя электроразрядной плазмы. Плазмодинамический синтез зарекомендовал себя как успешный путь получения керамических материалов в дисперсной форме и в виде покрытий на металлических подложках [34–36]. Ранее авторами была показана возможность получения этим методом традиционных оксидов титана: рутила и анатаза [37]. Основной идеей подхода является проведение синтеза в атмосфере углекислого газа как менее окислительной среде в сравнении с кислородом или воздухом, что позволяет сформировать кислородные вакансии в структуре диоксида титана. В то же время, помимо реализации синтеза с образованием полезного продукта, в указанном процессе оказывается возможным разложение и утилизация CO2 плазмой, что также является актуальной научно-исследовательской задачей.
Экспериментальная часть
Плазмодинамический синтез дисперсного продукта, содержащего оксиды титана в виде Магнели-фаз, осуществлялся с использованием классического коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) с титановыми электродами (сплав ВТ-1-0, ГОСТ 19807-91). В табл. 1 представлен химический состав материала электродов КМПУ, определенный методом рентгенофлуоресцентного анализа. Такой материал обладает низким количеством примесей и может быть использован в качестве титансодержащего прекурсора для создания конечного оксидного порошка.
Таблица 1. Химический состав материала электродов ускорителя
Table 1. Chemical composition of accelerator electrode material
Элемент/Element | Ti | Fe | Al | Cr | Cu |
Содержание/Content, wt. % | 98,50 | 0,42 | 0,17 | 0,07 | 0,04 |
В качестве источника электропитания для КМПУ используется накопитель энергии емкостного типа (максимальное напряжение зарядки UC=5,0 кВ, максимальная емкость C=28,8 мФ, максимальная запасенная энергия WC=360 кДж), который выполнен в секционированном исполнении, что дает возможность осуществления многоимпульсного режима. Последний реализуется путем подачи с задержкой управляющих сигналов от многоканального генератора импульсов на блоки управления силовых ключей, подключенных к соответствующим секциям конденсаторных батарей накопителя энергии. Одноимпульсный режим работы осуществлялся при емкости накопителя C=14,4 мФ и зарядном напряжении UC=2,5 кВ; многоимпульсный режим – при параметрах C1=C2=C3=C4=7,2 мФ и UC=2,5 кВ.
При подключении к электродам КМПУ разности потенциалов от накопителя происходит пробой разрядного межэлектродного промежутка с формированием электрического разряда дугового типа. Плазменная перемычка, подвергаясь действию магнитных полей электрода-ствола и внешнего индуктора, начинает ускорение вдоль ускорительного канала. В процессе ускорения происходит процесс взаимодействия плазмы с конденсированным веществом металлической ускорительной системы, вызывающий эмиссию частиц, в результате чего образуется масса эродированного металла, находящегося в жидкофазном состоянии. Высокоплотная плазменная структура ускоряется до скоростей более 1 км/с, формируя в головном скачке уплотнения струи условия для синтеза различных химических соединений. Энергетические параметры режима, а именно ток разряда и напряжение на электродах, измеряются посредством трансформатора Роговского и омического делителя напряжения соответственно. Сигналы мгновенных тока и напряжения регистрируются с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS 2012.
Истекание высокоскоростной электроразрядной струи плазмы происходит в камеру-реактор, заполненную углекислым газом (CO2) при нормальном давлении и комнатной температуре. Регистрация состава газообразной среды в камере-реакторе осуществляется с помощью газоанализатора (Тест-1). Углекислый газ можно назвать мягкой окислительной средой, поскольку окисление материалов в нем обычно осуществляется только при предварительном значительном возбуждении молекул CO2. В качестве воздействующего на газ фактора в настоящем случае выступает сама плазма, в которой достигается температура ~104 К [38]. В таких условиях может происходить разложение CO2 с образованием свободных кислородных радикалов, которые способны приводить к окислению Ti. Основной идеей работы является то, что в подобной системе будет происходить окисление металла в условиях дефицита кислорода. Как будет показано в дальнейшем, это способствует формированию недоокисленных модификаций оксидов.
Образованный в процессе плазмодинамического синтеза порошок собирался со стенок камеры-реактора и анализировался рядом методов. Исследование фазового состава дисперсных продуктов осуществлялось методом рентгеновской дифрактометрии с использованием дифрактометра Shimadzu XRD 7000S (CuKα-излучение) с монохроматором Shimadzu CM-3121. Качественный фазовый анализ проводили в соответствии с базой данных PDF4. Программное обеспечение PowderCell 2.4 было использовано для выполнения количественного анализа и оценочных расчетов. Микроструктура дисперсных продуктов изучалась с помощью сканирующей (СЭМ, микроскоп Hitachi TM-3000) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, Philips CM12).
Результаты и обсуждение
С использованием системы плазмодинамического синтеза были проведены эксперименты по синтезу
Ti-O материалов при разных видах импульсного плазменного воздействия. В табл. 2 приведены параметры цикла экспериментов, где (и далее) Nимп – количество импульсов, C – емкость накопителя, Uд – напряжение на электродах ускорителя в дуговой стадии, Imax – амплитуда рабочего тока разряда, Pmax – амплитуда мощности разряда, W – выделившаяся энергия, tимп – время импульса разряда, Pср – среднее значение мощности разряда, mпор – масса синтезированного порошка. В случае многоимпульсного режима обращает на себя внимание понижение энергетических параметров импульсов, что логично ввиду понижения емкости в каждом из импульсов для снижения более длительных в сравнении с одноимпульсным режимом термических и электродинамических нагрузок на систему. При этом суммарная выделившаяся энергия оказывается в многоимпульсном режиме больше, чем в одноимпульсном (47,8 кДж vs 26,7 кДж). В итоге в многоимпульсном режиме нарабатывается большее по массе количество продукта.
Таблица 2. Параметры цикла экспериментов по плазмодинамическому синтезу Ti-O материалов
Table 2. Parameters of the experimental cycle on plasmadynamic synthesis of Ti-O materials
No. | Nимп | C | Uд Uarc | Imax | Pmax | W | tимп tpul | Pср Pav | mпор mpow |
мФ mF | кВ kV | кА kA | МВт MW | кДж kJ | Мкс mcs | МВт MW | г/g | ||
1 | 1 | 14,4 | 1,02 | 120,6 | 123,1 | 26,7 | 480 | 55,6 | 2,789 |
2 | 4 | 7,2 | 0,84 | 88,2 | 73,7 | 12,4 | 330 | 37,4 | 9,070 |
7,2 | 0,77 | 91,8 | 70,3 | 11,9 | 300 | 39,7 | |||
7,2 | 0,77 | 90,0 | 68,9 | 11,9 | 320 | 37,5 | |||
7,2 | 0,77 | 88,2 | 67,5 | 11,6 | 304 | 38,1 |
Рис. 1. Кривые изменения содержания СО (а) и СО2 (б) в рабочей камере до и после экспериментов в одноимпульсном и многоимпульсном режимах работы
Fig. 1. Curves of changes in the content of CO (a) and СО2 (b) in the working chamber before and after experiments in single pulse and multi-pulse operation mode
Важнейшим фактором в образовании оксидных материалов в процессе плазменного воздействия на углекислый газ является степень его разложения. На рис. 1 представлены кривые изменения содержания газов CO и CO2 до и после экспериментов в одноимпульсном и многоимпульсном режимах, которые показывают, что плазменное воздействие приводит к разложению углекислого газа с формированием угарного газа. Это свидетельствует об однозначном образовании в процессе воздействия свободных радикалов кислорода, которые взаимодействуют с эродированным металлическим материалом, находящимся в жидкофазном состоянии. При этом в многоимпульсном режиме наблюдается более высокая степень разложения CO2, чем в одноимпульсном (содержание CO2 после плазменного воздействия 95 % vs 90 %). Этот факт обосновывается более высокоэнергетическим и длительным плазменным воздействием в случае многоимпульсного режима.
Полученные продукты без какой-либо предварительной подготовки исследованы методами рентгеновской дифрактометрии, результаты которой приведены на рис. 2 в виде соответствующих дифрактограмм. Качественный рентгенофазовый анализ показывает многофазность синтезированных материалов, в которых присутствуют как стехиометрические (TiO2 рутил и анатаз), так и нестехиометрические кристаллические фазы (Ti2O3, несколько модификаций Ti3O5). Все обнаруженные нестехиометрические модификации относятся к Магнели-фазам, поскольку соответствуют общей формуле соединений TinO2n-1. Стоит отметить, что в продукте, вероятно, присутствуют и другие Магнели-фазы с более высоким n, которые обычно синтезируются совместно с основными модификациями [25].
Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы продуктов плазмодинамического синтеза, полученных в многоимпульсном и одноимпульсном режимах, а также эталонных кристаллических фаз основных компонентов продуктов
Fig. 2. X-ray diffraction patterns of plasma dynamic synthesis products obtained in multi-pulse and single-pulse modes, as well as reference crystalline phases of the main components of the products
Результаты оценочного количественного анализа фазового состава продуктов синтеза приведены в табл. 3. Продукты синтеза характеризуются существенным содержанием устойчивой кристаллической модификации TiO2, причем в большей степени в форме рутила. Его содержание может доходить до почти 60 % при использовании многоимпульсного режима. В одноимпульсном режиме оказывается возможным снижение содержания рутила до 38 % с одновременным повышением общего выхода Магнели-фаз до 52 %.
На рис. 3, 4 представлены результаты исследования микроструктуры полученных материалов методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Согласно иллюстрациям микроструктуры как на микро-, так и на наноуровне, отличительной особенностью материалов является склонность к формированию частиц с высокой степенью сферичности, что ожидаемо в случае применения газофазного синтеза в форме плазмодинамического метода [39]. При этом более сферически оформленный кристаллографический характер типичен для образца, полученного в многоимпульсном режиме. При анализе SEM-снимков этого образца (рис. 3) особенно выделяются крупные сферические и сфероподобные объекты размерами до нескольких десятков нм. Для структуры порошка, полученного в одноимпульсном режиме, они также характерны, однако в гораздо меньшем количестве. В этом случае формируются образования неправильной формы до 10 мкм. При более высоком увеличении видна внутренняя структура указанных типов микроразмерных объектов. Фактически они являются плотными спеками высокодисперсных частиц до 1 мкм, образованных в результате длительного высокотемпературного воздействия, приводящего не только к синтезу новых соединений, но и гетерогенному зародышеобразованию с последующей рекристаллизацией частиц.
Таблица 3. Содержание кристаллических фаз в составе продуктов синтеза
Table 3. Content of crystalline phases in the composition of synthesis products
| Одноимпульсный режим Single-pulse mode | Многоимпульсный режим Multi-pulse mode |
ω(TiO2 рутил), % ω(TiO2 rutile), % No. PDF 21-1276 | 38,37 | 59,84 |
ω(γTi3O5), % No. PDF 40-806 | 19,39 | 16,79 |
ω(Ti3O5), % No. PDF 82-1137 | 26,09 | 14,91 |
ω(Ti2O3), % No. PDF 21-1272 | 6,92 | 5,83 |
ω(TiO2 рутил), % ω(TiO2 rutile), % No. PDF 10-63 | 9,23 | 2,63 |
ωΣ(Магнели-фазы), % ωΣ(Magneli phases), % | 52,40 | 37,53 |
Рис. 3.Результаты сканирующей электронной микроскопии продуктов, синтезированных в одноимпульсном (а, в) и многоимпульсном (б, г) режимах
Fig. 3. Results of scanning electron microscopy of products synthesized in single-pulse (а, c) and multi-pulse (b, d) modes
Рис. 4.Результаты просвечивающей электронной микроскопии (светлопольный снимок скопления, картина электронной дифракции на выделенной области, темнопольное изображение) продуктов, синтезированных в одноимпульсном (a) и многоимпульсном (б) режимах
Fig. 4. Results of transmission electron microscopy (bright-field image of the aggregate, electron diffraction pattern on the selected area, dark-field image) of products synthesized in single-pulse (a) and multi-pulse (b) modes
Данные просвечивающей электронной микроскопии (рис. 4) позволяют детально исследовать высокодисперсную фракцию синтезированных продуктов. По светлопольным снимкам продукты в основном состоят из округлых частиц с размерами до 100 и до 200 нм в случаях одноимпульного и многоимпульсного режимов соответственно. Рост размеров частиц, вероятно, связан с большей длительностью процесса высокотемпературного воздействия. Картины электронной дифракции на выделенной области близки для исследуемых продуктов и представляют собой совокупность когерентных рефлексов нескольких кристаллических фаз, из которых выделяются, прежде всего, наибольшие по содержанию в продуктах рутил TiO2 и γ-Ti3O5.
При сдвиге апертурной диафрагмы микроскопа в область рефлексов 110 TiO2/002 Ti3O5 получены темнопольные изображения светящихся плоскостей частиц скоплений. К сожалению, точная идентификация фазовой принадлежности подсвеченных частиц невозможна в силу крайней близости наиболее интенсивных дифракционных рефлексов, которые, согласно картине дифракции на выделенной области, соотносятся с рутилом и Магнели-фазой. При этом темнопольные снимки вносят важную роль в представлении о структуре синтезированных наночастиц. Так, наночастицы (1), синтезированные в одноимпульсном режиме, формируют характерную высокодефектную кристаллическую структуру, которая видна из многочисленных беспорядочно уложенных слоев с дислокационными сдвигами. В то же время в продукте, полученном в многоимпульсном режиме, наблюдается появление большего количества монокристаллических сферических (или многогранных) частиц (2), что идентифицируется по ровным экстинкционным контурам в теле частиц. Возможно, такая тенденция связана именно с формированием в последнем случае большего количества рутила, для которого характерны подобные монокристаллические наноструктуры [40, 41]. При этом стоит отметить, что в случае как одноимпульсного, так и многоимпульсного режимов наблюдается формирование указанных типов структур, меняется их общее соотношение вследствие изменения фазового состава материалов.
Таким образом, по совокупности представленных данных можно сделать вывод о предпочтительности использования одноимпульсного режима плазмодинамического синтеза для получения Магнели-фаз. Он позволил получить продукт с содержанием Магнели-фаз более 50 %, что является приемлемым результатом, поскольку до сих пор подготовка образцов, преимущественно содержащих Магнели-фазы или другие специфические субоксиды титана, по-прежнему представляет собой большую проблему из-за содержания, прежде всего, рутила в составе продукта, даже после различных видов постобработки [28]. При этом процесс плазмодинамического синтеза отличается по своему принципу от других способов получения Магнели-фазы, основанных на восстановлении рутила при высокой температуре. В исследуемом плазменном процессе в условиях мягкой окислительной среды с низкой концентрацией кислорода происходит изначальное формирование недоокисленных модификаций оксидов титана. Это дает возможность подбора параметров процесса для исключения формирования рутила и получения продукта с более высоким содержанием Магнели-фаз. Выявленные особенности продукта (высокий уровень содержания Магнели-фаз, дефектность кристаллической структуры, наличие наноразмерной фракции) позволят использовать его в высокоэффективных каталитических процессах, в особенности в процессах фотокаталитического разложения воды и получения водорода.
Заключение
На основании полученных результатов продемонстрирована возможность синтеза продуктов, содержащих Магнели-фазы, в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы. При осуществлении процесса в условиях среды углекислого газа помимо традиционных стехиометрических модификаций рутила и анатаза образуются недоокисленные субоксиды титана TinO2n−1. С точки зрения эффективности получения Магнели-фаз более привлекательным является одноимпульсный режим работы (содержание более 50 %), в то время как эффективность конверсии CO2 выше в многоимпульсном режиме (до 10 % CO2 переходит в CO). Отличительной особенностью синтезированных материалов как на микро-, так и на наноуровне является склонность к формированию частиц с высокой степенью сферичности. Как показывают результаты просвечивающей электронной микроскопии, продукты в основном состоят из округлых частиц с размерами до сотен нанометров, из которых к Магнели-фазам в первую очередь относятся наночастицы с характерной высокодефектной кристаллической структурой с дислокационными сдвигами.
Об авторах
Иван Игоревич Шаненков
Тюменского государственного университета; Национального исследовательского Томского политехнического университета
Email: i.i.shanenkov@utmn.ru
ORCID iD: 0000-0001-7499-5846
кандидат технических наук, заведующий лабораторией ресурсоэффективных технологий термической переработки биомассы Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO), младший научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики
Россия, 625003, Тюмень, ул. Володарского, 6; 634050, Томск, пр. Ленина, 30Дмитрий Сергеевич Никитин
Национального исследовательского Томского политехнического университета
Email: nikitindmsr@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5015-6092
кандидат технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 30Артур Ринатович Насырбаев
Национального исследовательского Томского политехнического университета
Email: arn1@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4761-8863
ассистент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 30Александр Игоревич Циммерман
Национального исследовательского Томского политехнического университета
Автор, ответственный за переписку.
Email: alextsimmer@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-9474-7899
ассистент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 30Александр Анатольевич Сивков
Национального исследовательского Томского политехнического университета
Email: sivkov@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7685-5502
доктор технических наук, профессор отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики
Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 30Список литературы
- Murphy R. What is undermining climate change mitigation? How fossil-fuelled practices challenge low-carbon transitions // Energy Research & Social Science. – 2024. – Vol. 108. – Article no. 103390. doi: 10.1016/j.erss.2023.103390
- Renewable energy in the 21st century: a review / M.K.G. Deshmukh, M. Sameeroddin, D. Abdul, M.A. Sattar // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 80. – P. 1756–1759. doi: 10.1016/j.matpr.2021.05.501
- Fuelling the future: a review of non-renewable hydrogen production and storage techniques / M. Aravindan, V.S. Hariharan, T. Narahari, A. Kumar, K. Madhesh, P. Kumar, R. Prabakaran // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – Vol. 188. – Article no. 113791. doi: 10.1016/j.rser.2023.113791
- A comprehensive review of green hydrogen energy systems / F. Kourougianni, A. Arsalis, A.V. Olympios, G. Yiasoumas, C. Konstantinou, P. Papanastasiou, G.E. Georghiou // Renewable Energy. – 2024. – Article no. 120911. doi: 10.1016/j.renene.2024.120911
- Techno economic analysis for advanced methods of green hydrogen production / S.R. Naqvi, S.A.A. Taqvi, W.H. Chen, D. Juchelková // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. – 2024. – Article no. 100939. doi: 10.1016/j.cogsc.2024.100939
- Review on metals and metal oxides in sustainable energy production: progress and perspectives / U. Farooq, T. Ahmad, F. Naaz, S.U. Islam // Energy & Fuels. – 2023. – Vol. 37. – № 3. – P. 1577–1632. doi: 10.1021/acs.energyfuels.2c03396
- Nanocatalysts in photocatalytic water splitting for green hydrogen generation: Challenges and opportunities / D. Zheng, Y. Xue, J. Wang, P.S. Varbanov, J.J. Klemeš, C. Yin // Journal of Cleaner Production. – 2023. – Vol. 414. – Article no. 137700. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.137700
- Rahimi N., Pax R.A., Gray E.M.A. Review of functional titanium oxides. I: TiO2 and its modifications // Progress in Solid State Chemistry. – 2016. – Vol. 44. – № 3. – P. 86–105. doi: 10.1016/j.progsolidstchem.2016.07.002
- Nano titanium oxide (nano-TiO2): a review of synthesis methods, properties, and applications / C.Y. Hsu, Z.H. Mahmoud, S. Abdullaev, F.K. Ali, Y.A. Naeem, R.M. Mizher, M.M. Karim, A.S. Abdulwahid, Z. Ahmadi, S. Habibzadeh, E. Kianfar // Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. – 2024. – Article no. 100626. doi: 10.1016/j.cscee.2024.100626
- A comprehensive review on modification of titanium dioxide‐based catalysts in advanced oxidation processes for water treatment / F. Tanos, A. Razzouk, G. Lesage, M. Cretin, M. Bechelany // ChemSusChem. – 2024. – Vol. 17. – № 6. – Article no. e202301139. doi: 10.1002/cssc.202301139
- Xiaobo C. Titanium dioxide nanomaterials and their energy applications // Chinese Journal of Catalysis. – 2009. – Vol. 30. – № 8. – P. 839–851. doi: 10.1016/S1872-2067(08)60126-6
- Sippel C., Guaglianoni W.C., Bergmann C.P. Titanium dioxide nanomaterials for renewable energy applications // Environmental Applications of Nanomaterials. – 2022. – P. 73–96. doi: 10.1007/978-3-030-86822-2_5
- Nah Y.C., Paramasivam I., Schmuki P. Doped TiO2 and TiO2 nanotubes: synthesis and applications // ChemPhysChem. – 2010. – Vol. 11. – № 13. – P. 2698–2713. doi: 10.1002/cphc.201000276
- Phase analysis studies on the titanium-oxygen system / S. Andersson, B. Collén, U. Kuylenstierna, A. Magnéli // Acta Chemica Scandinavica. – 1957. – Vol. 11. – № 10. – P. 1641–1652.
- Åsbrink S., Magnéli A. Crystal structure studies on trititanium pentoxide, Ti3O5 // Acta Crystallographica. – 1959. – Vol. 12. – № 8. – P. 575–581. doi: 10.1107/S0365110X59001694
- Andersson‐Magnéli phases TinO2n‐1: recent progress inspired by Swedish scientists / Q. Zhang, W. Liu, Y. Zhou, J. Li, T. Sun, Q. Liu, Y. Ma, J. Wang, J. Li, R. Zhao, Y. Sui, T. Matsumoto, N. Muroyama, A. Yamano, K.D.M. Harris, D.J. Shen, O. Terasaki // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. – 2021. – Vol. 647. – № 2–3. – P. 126–133. doi: 10.1002/zaac.202000408
- Harada S., Tanaka K., Inui H. Thermoelectric properties and crystallographic shear structures in titanium oxides of the Magneli phases // Journal of applied physics. – 2010. – Vol. 108. – № 8. – Article no. 083703. doi: 10.1063/1.3498801
- Bartholomew R.F., Frankl D.R. Electrical properties of some titanium oxides // Physical review. – 1969. – Vol. 187. – № 3. – P. 828. doi: 10.1103/PhysRev.187.828
- Magneli phase Ti4O7 electrode for oxygen reduction reaction and its implication for zinc-air rechargeable batteries / X. Li, A.L. Zhu, W. Qu, H. Wang, R. Hui, L. Zhang, J. Zhang // Electrochimica Acta. – 2010. – Vol. 55. – № 20. – P. 5891–5898. doi: 10.1016/j.electacta.2010.05.041
- Chemical bonding and physical trapping of sulfur in mesoporous Magnéli Ti4O7 microspheres for high‐performance Li–S battery / H. Wei, E.F. Rodriguez, A.S. Best, A.F. Hollenkamp, D. Chen, R.A. Caruso // Advanced Energy Materials. – 2017. – Vol. 7. – № 4. – Article no. 1601616. doi: 10.1002/aenm.201601616
- Magnéli-phases in anatase strongly promote cocatalyst-free photocatalytic hydrogen evolution / M. Domaschke, X. Zhou, L. Wergen, S. Romeis, M.E. Miehlich, K. Meyer, P. Wolfgang, P. Schmuki // ACS Catalysis. – 2019. – Vol. 9. – № 4. – P. 3627–3632. doi: 10.1021/acscatal.9b00578
- Kumar A., Barbhuiya N.H., Singh S.P. Magnéli phase titanium sub-oxides synthesis, fabrication and its application for environmental remediation: current status and prospect // Chemosphere. – 2022. – Vol. 307. – Article no. 135878. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.135878
- Jayashree S., Ashokkumar M. Switchable intrinsic defect chemistry of titania for catalytic applications // Catalysts. – 2018. – Vol. 8. – № 12. – Article no. 601. doi: 10.3390/catal8120601
- Modelling and synthesis of Magnéli Phases in ordered titanium oxide nanotubes with preserved morphology / H. Malik, S. Sarkar, S. Mohanty, K. Carlson // Scientific Reports. – 2020. – Vol. 10. – № 1. – Article no. 8050. doi: 10.1038/s41598-020-64918-0
- Wu X., Wang H., Wang Y. A review: synthesis and applications of titanium sub-oxides // Materials. – 2023. – Vol. 16. – № 21. – Article no. 6874. doi: 10.3390/ma16216874
- Formation, transformation, and electrical performance of Magnéli phases obtained by flame spraying from TiO2 particles / F. Vargas-Galvis, J.D. Holguín-Villa, J.A. Arias Gómez, A.F. Mejía, A.A. Velásquez, M. Arroyave, C.C. Palacio Espinosa // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – № 5. – P. 2562–2571. doi: 10.1007/s11665-023-08887-1
- Пойлов В.З., Казанцев А.Л. Формирование частиц диоксида титана при гидролизе и термогидролизе водно-спиртовых растворов тетрахлорида титана // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2018. – Т. 329. – № 6. – С. 58–65.
- Flash synthesis of Magnéli phase (TinO2n-1) nanoparticles by thermal plasma treatment of H2TiO3 / B. Xu, D. Zhao, H.Y. Sohn, Y. Mohassab, B. Yang, Y. Lan, J. Yang // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44. – № 4. – P. 3929–3936. doi: 10.1016/j.ceramint.2017.11.184
- Highly conductive nano-sized Magnéli phases titanium oxide (TiOx) / A.F. Arif, R. Balgis, T. Ogi, F. Iskandar, A. Kinoshita, K. Nakamura, K. Okuyama // Scientific reports. – 2017. – Vol. 7. – № 1. – Article no. 3646. doi: 10.1038/s41598-017-03509-y
- Fridman A. Plasma chemistry. – Cambridge: Cambridge university press, 2008. – 978 p.
- Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Varaksin A.Y. Computational and experimental modeling in magnetoplasma aerodynamics and high-speed gas and plasma flows (a review) // Aerospace. – 2023. – Vol. 10. – № 8. – Article no. 662. doi: 10.3390/aerospace10080662
- Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Numerical simulation of pulsed jets of a high-current pulsed surface discharge // Computational Thermal Sciences: An International Journal. – 2021. – Vol. 13. – № 2. – P. 45–46. doi: 10.1615/ComputThermalScien.2020034742
- Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Starostin A.V. Pulsed jets for dense plasma generation in an external magnetic field // Russian Physics Journal. – 2020. – Vol. 62. – № 11. – P. 2041–2045. doi: 10.1007/s11182-020-01942-7
- Sivkov A.A., Nikitin D.S., Pak A.Y., Rakhmatullin I.A. Direct plasmadynamic synthesis of ultradisperse silicon carbide // Technical Physics Letters. – 2013. – Vol. 39. – P. 105–107. doi: 10.1134/S1063785013010392
- Large‐scale synthesis and applications of hafnium–tantalum carbides / A.G. Kvashnin, D.S. Nikitin, I.I. Shanenkov, I.V. Chepkasov, Y.A. Kvashnina, A. Nassyrbayev, A.A. Sivkov, Z. Bolatova, A.Y. Pak // Advanced Functional Materials. – 2022. – Vol. 32. – № 38. – Article no. 2206289. doi: 10.1002/adfm.202206289
- Hardening the surface of metals with WC1-x coatings deposited by high-speed plasma spraying / I. Shanenkov, D. Nikitin, A. Ivashutenko, I. Rahmatullin, Y. Shanenkova, A. Nassyrbayev, W. Han, A. Sivkov // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 389. – Article no. 125639. doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125639
- Plasma dynamic synthesis of highly defective fine titanium dioxide with tunable phase composition / A. Sivkov, Y. Vympina, A. Ivashutenko, I. Rakhmatullin, Y. Shanenkova, D. Nikitin, I. Shanenkov // Ceramics International. – 2022. – Vol. 48. – № 8. – Article no. 10862-10873. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.12.303
- Параметры эрозионной углеродной плазмы в канале рельсотрона / С.В. Бобашев, Б.Г. Жуков, Р.А. Куракин, С.А. Поняев, Б.И. Резников, С.И. Розов // Журнал технической физики. – 2010. – Т. 80. – № 12. – С. 45–50.
- Swihart M.T. Vapor-phase synthesis of nanoparticles // Current opinion in colloid & interface science. – 2003. – Vol. 8. – № 1. – P. 127–133. doi: 10.1016/S1359-0294(03)00007-4
- Phase transformations, vacancy formation and variations of optical and photocatalytic properties in TiO2-ZnO composites by high-pressure torsion / J. Hidalgo-Jimenez, Q. Wang, K. Edalati, J.M. Cubero-Sesín, H. Razavi-Khosroshahi, Y. Ikoma, D. Gutiérrez-Fallas, F.A. Dittel-Meza, J.C. Rodríguez-Rufino, M. Fuji, Z. Horita // International Journal of Plasticity. – 2020. – Vol. 124. – P. 170–185. doi: 10.1016/j.ijplas.2019.08.010
- Enhanced visible-light photocatalytic activity of anatase-rutile mixed-phase nano-size powder given by high-temperature heat treatment / T. Ishigaki, Y. Nakada, N. Tarutani, T. Uchikoshi, Y. Tsujimoto, M. Isobe, H. Ogata, C. Zhang, D. Hao // Royal Society Open Science. – 2020. – Vol. 7. – № 1. – Article no. 191539. doi: 10.1098/rsos.191539
Дополнительные файлы
