Электровосстановление нитрат-иона на медных покрытиях различной шероховатости в условиях смешанного транспортно-кинетического контроля

Авторы

  • Фрол Александрович Вдовенков ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
  • Олег Александрович Козадеров ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
  • Павел Павлович Тараканов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
  • Павел Витальевич Фомин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

DOI:

https://doi.org/10.17308/kcmf.2026.28/13556

Ключевые слова:

шероховатость поверхности, медное покрытие, нитрат-ион, электровосстановление, смешанная кинетика, атомно-силовая микроскопия, вольтамперометрия, хроноамперометрия

Аннотация

Цель статьи: В данной работе устанавливается влияние средней шероховатости поверхности электрода на кинетику нестационарного электрохимического процесса катодного восстановления нитрат-иона в условиях транс- портно-кинетического контроля в потенциостатических условиях поляризации.

Экспериментальная часть: Исследования проводили на двух медных покрытиях, полученных гальваностатическим осаждением из сульфатного электролита меднения, в состав которого вводили различные органические добавки для варьирования шероховатости синтезируемых медных покрытий. Кинетику реакции электровосстановления нитрат-иона на полученных медных покрытиях изучали нестационарными электрохимическими методами вольтамперо- и хроноамперометрии в водном деаэрированном растворе 10 мМ KNO3 + 100 мМ H2SO4. Потенциостатические измерения проводили при катодном потенциале –470 мВ, отвечающем реализации смешанного диффузионно-кинетического контроля. Шероховатость поверхности синтезированных медных покрытий оценивали с использованием атомно-силовой микроскопии и метода осаждения монослоя свинца при недонапряжении.

Вывод: На основании разработанной ранее теоретической модели электрохимического процесса, протекающего в смешанном транспортно-кинетическом режиме на шероховатом электроде, предложен подход для оценки основных параметров кинетической стадии с учетом нормировки на истинную площадь поверхности на примере электровосстановления нитрат-иона на медных покрытиях различной шероховатости. В рамках данного подхода удалось установить, что более шероховатое медное покрытие характеризуется более высокими значениями гетерогенной константы скорости и плотности тока обмена, что свидетельствует об увеличении электрокаталитической активности меди в исследуемой реакции при переходе к электродам с повышенной шероховатостью

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Биографии авторов

  • Фрол Александрович Вдовенков, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

    аспирант, кафедра физической химии химического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

  • Олег Александрович Козадеров, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

    д. х. н., доцент, вед. н. с. Лаборатории органических добавок для процессов химического и электрохимического осаждения металлов и сплавов, применяемых в электронной промышленности, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

  • Павел Павлович Тараканов, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

    студент, кафедра физической химии химического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

  • Павел Витальевич Фомин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

    студент, кафедра физической химии химического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Библиографические ссылки

1. Trasatti S., Parsons R. Interphases in systems of conducting phases (Recommendations 1985). Pure and Applied Chemistry. 1986;58(3): 437–454. https://doi.org/10.1351/pac198658030437

2. Bard A. J., Inzelt G., Scholz F. (Eds.). Electrochemical dictionary. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-29551-5

3. Jiang K., Huang Y., Zeng G., Toma F.M., Goddard III W. A., Bell A. T. Effects of surface roughness on the electrochemical reduction of CO2 over Cu. ACS Energy Letters. 2020;5(4): 1206–1214. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00482

4. Popov K. I., Živković P. M., Nikolić N. D., Branković G. The effect of the electrode surface roughness at low level of coarseness on the polarization characteristics of electrochemical processes. Electrochimica Acta. 2010;55(6): 1919–1925. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.10.085

5. Xie X., Holze R. Electrode kinetic data: geometric vs. real surface area. Batteries. 2022;8(10):146. https://doi.org/10.3390/batteries8100146

6. Dobri G., Banu A., Donath C., … Marcu M. Effect of surface roughness on the electrochemical behavior and corrosion resistance of TiTaNbZrAg alloy with different amounts of tantalum in bulk composition. Materials. 2024;17(21): 5217. https://doi.org/10.3390/ma17215217

7. Xu R., Jin X., Bi H., Zhang Zh., Li M. Effect of surface roughness on contact resistance and electrochemical corrosion behavior of 446 stainless steel in simulated anode environments for proton exchange membrane fuel cell. Journal of Solid State Electrochemistry. 2024;28: 3087–3098. https://doi.org/10.1007/s10008-024-05864-z

8. Kim Y., Yoo M., Moon M. Effects of surface roughness on the electrochemical properties and galvanic corrosion behavior of CFRP and SPCC alloy. Materials. 2020;13(18): 4211. https://doi.org/10.3390/ma13184211

9. Douglass Jr. E. F., Driscoll P. F., Liu D., Burnham N. A., Lambert C. R., McGimpsey W. G. Effect of electrode roughness on the capacitive behavior of self-assembled monolayers. Analytical Chemistry. 2008:80(20): 7670–7677. https://doi.org/10.1021/ac800521z

10. Trasatti S., Petrii O. A. Real surface area measurements in electrochemistry. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1992;327(1-2): 353–376. https://doi.org/10.1016/0022-0728(92)80162-W

11. Bard A. J., Faulkner L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. 2nd Edition. New York: John Wiley & Sons; 2001.

12. Kozaderov O. А. Surface roughness effect in the kinetics of heterogeneous processes. Condensed Matter and Interphases. 2017;19(1): 6–21. (in Russ.) https://doi.org/10.17308/kcmf.2017.19/171

13. Vdovenkov F. A., Kolosov A. N., Kuzmenko G. A., Kozaderov O. A. Simulation of a non-stationary electrochemical process on rough electrodes under mixed kinetic-diffusion control. Condensed Matter and Interphases. 2025; 27(1): 592–605 https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13297

14. Lebedeva O., Kuznetsova I., Kultin D., … Kustov L. Efficiency of the electrocatalytic nitrate reduction to ammonia: do the surface nanostructures play an essential role? Catalysts. 2025;15(7): 666. https://doi.org/10.3390/catal15070666

15. Pérez-Gallent E., Figueiredo M. C., Katsounaros I., Koper M. T. M. Electrocatalytic reduction of nitrate on copper single crystals in acidic and alkaline solutions. Electrochimica Acta. 2017;227: 77–84. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.12.147

16. Farina R., D’Arrigo G., Alberti A., … Libertino S. Copper micro-flowers for electrocatalytic sensing of sitrate ions in water. Sensors. 2024;24(14): 4501. https://doi.org/10.3390/s24144501

17. Hou T., Shan T., Rong H., Zhang J. Nitrate electroreduction to ammonia over copper-based catalysts. ChemSusChem. 2025;18(9): e202402331. https://doi.org/10.1002/cssc.202402331

18. Farina R., D’Arrigo G., Alberti A., … Libertino S. Electrochemical growth of copper crystals on SPCE for electrocatalysis nitrate reduction. Nanomaterials. 2024;14(21): 1704. https://doi.org/10.3390/nano14211704

19. Shih Y.-J., Wu Z.-L., Lin C.-Y., Huang Y.-H., Huang C.‑P. Manipulating the crystalline morphology and facet orientation of copper and copper-palladium nanocatalysts supported on stainless steel mesh with the aid of cationic surfactant to improve the electrochemical reduction of nitrate and N2 selectivity. Applied Catalysis B: Environmental. 2020;273: 119053. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119053

20. Dima G. E., De Vooys A. C. A., Koper M. T. M. Electrocatalytic reduction of nitrate at low concentration on coinage and transition-metal electrodes in acid solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2003;554–555: 15–23. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(02)01443-2

21. Rosca V., Duca M., De Groot M. T., Koper M. T. M. Nitrogen cycle electrocatalysis. Chemical Reviews. 2009;109(6): 2209–2244 https://doi.org/10.1021/cr8003696

22. Kozaderov O., Sotskaya N., Yudenkova L., Buylov N., Ilina E. Electrocrystallization and morphology of copper coatings in the presence of organic additives. Coatings. 2023;13(11): 1896. https://doi.org/10.3390/coatings13111896

23. Giri S. D., Sarkar A. Estimating surface area of copper powder: A comparison between electrochemical, microscopy and laser diffraction methods. Advanced Powder Technology. 2018;29(12): 3520–3526. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.09.034

24. Galus Z. Fundamentals of electrochemical analysis. Chichester: Ellis Horwood: New York: Halsted Press, a division of Wiley; 1974. 520 p.

25. Kozaderov O. A., Lozovskii V. V., Vvedenskii A. V. Chronovoltammetry of the anodic dissolution of Ag-Au alloys in nitrate environments. Protection of Metals. 2008; 44(4): 333–342. https://doi.org/10.1134/S0033173208040036

26. Bedova E. V., Kolganova D. I., Kozaderov O. A. Voltamperometry of a kinetically irreversible electrochemical process on a rough electrode. Condensed Matter and Interphases. 2020;22(2): 211–218. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2833

27. Abir A. Y., Nizam Uddin S. M., Hasan M., … Hasnat M. A. Cu-electrodeposited gold electrode for the sensitive electrokinetic investigations of nitrate reduction and detection of the nitrate ion in acidic medium. Results in Chemistry. 2023;5: 100702. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2022.100702

28. Butcher D. P., Gewirth D. P. Nitrate reduction pathways on Cu single crystal surfaces: effect of oxide and Cl–. Nano Energy. 2016;29: 457–465. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.06.024

29. Bae S.-E., Stewart K. L., Gewirth A. A. Nitrate adsorption and reduction on Cu(100) in acidic solution. Journal of the American Chemical Society. 2007;129(33): 10171–10180. https://doi.org/10.1021/ja071330n

30. Bae S. E., Gewirth A. A. Differential reactivity of Cu(111) and Cu(100) during nitrate reduction in acid electrolyte. Faraday Discuss. 2008;140: 113-23; https://doi.org/10.1039/b803088j

31. Pletcher D., Poorabedi Z. The reduction of nitrate at a copper cathode in aqueous acid Electrochimica Acta. 1979;24: 1253–1256. https://doi.org/10.1016/0013-4686(79)87081-4

Загрузки

Опубликован

2026-04-01

Выпуск

Том 28 № 1 (2026)

Раздел

Оригинальные статьи

Лицензия

Copyright (c) 2026 Конденсированные среды и межфазные границы

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Как цитировать

Электровосстановление нитрат-иона на медных покрытиях различной шероховатости в условиях смешанного транспортно-кинетического контроля. (2026). Конденсированные среды и межфазные границы, 28(1), 28-39. https://doi.org/10.17308/kcmf.2026.28/13556

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>