Photoelectrochemical activity of oxide films on silver-palladium alloys in an alkaline solution

Ирина Андреевна Белянская; Мария Юрьевна Бочарникова; Максим Мансурович Муртазин; Светлана Николаевна Грушевская; Олег Александрович Козадеров; Александр Викторович Введенский

doi:10.17308/kcmf.2024.26/12082

Ирина Андреевна Белянская ФГБОУ ВО "Воронежский государственный университет", Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
Мария Юрьевна Бочарникова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0003-5420-6848
Максим Мансурович Муртазин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0005-9574-4057
Светлана Николаевна Грушевская ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7083-1438
Олег Александрович Козадеров ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0249-9517
Александр Викторович Введенский ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-2210-5543

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/12082

Ключевые слова: серебряно-палладиевые сплавы, анодное оксидообразование, фотоэлектрохимическая активность, фототок, циклическая вольтамперометрия

Аннотация

Постоянно растущие потребности человечества в энергии вызывают ряд серьезных экологических проблем. Одним из методов их устранения является фотокаталитическое или фотоэлектрохимическое получение достаточно экологичного топлива – газообразного водорода. Развитие работ в данном направлении преимущественно связано с поиском полупроводникового материала, в наибольшей степени подходящего для фотокатализа. В качестве такого материала могут быть использованы оксиды некоторых металлов, в том числе, серебра. Фотокаталитическая или фотоэлектрохимическая активность оксида определяется особенностями его электронного строения и может значительно повышаться в случае его комбинирования с другим оксидом. В связи с этим анодное окисление бинарных сплавов рассматривается как доступный и, что особенно важно, контролируемый
способ комбинирования оксидов различных металлов. Цель работы – выявить роль сплавообразования серебра с палладием в фотоэлектрохимической активности оксидных пленок, анодно сформированных в деаэрированном 0.1 М KOH.

Анодное формирование оксидных пленок осуществляли потенциодинамическим методом в щелочной среде на серебре и его сплавах с палладием, концентрация которого составляла от 5 до 30 ат. %. Фотоэлектрохимическую активность оценивали по величине фототока, генерируемого в оксидной пленке непосредственно в ходе ее формирования и последующего восстановления. Фототок измеряли в импульсном режиме освещения поверхности электрода квазимонохроматическим светодиодом с длиной волны 470 нм.

На всех изученных образцах регистрируется положительный фототок, который указывает на преобладание донорных дефектов структуры в формирующейся оксидной пленке. С ростом концентрации палладия в сплаве область потенциалов фотоэлектрохимической активности анодно сформированных оксидных пленок расширяется. Максимальный фототок, достигаемый в процессе анодного потенциодинамического формирования оксидной пленки, тем выше, чем меньше концентрация палладия. В ходе катодного потенциодинамического восстановления сформированных оксидных пленок удается зарегистрировать еще более высокие значения фототоков, чем при их
анодном формировании. Наибольшая фотоэлектрохимическая активность, характеризуемая плотностью фототока 2.89 мкА/см² и эффективностью преобразования энергии фотона в ток 7.6 %, наблюдается в оксидной пленке, анодно сформированной на серебре к моменту достижения потенциала 0.6 В. Сопоставимые значения фототока и квантовой эффективности (2.12 мкА/см² и 5.6 %) регистрируются в оксидной пленке на сплаве с концентрацией палладия 10 ат. % в ходе ее потенциодинамического восстановления

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Ирина Андреевна Белянская, ФГБОУ ВО "Воронежский государственный университет", Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Мария Юрьевна Бочарникова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

инженер кафедры физической химии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Максим Мансурович Муртазин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. х. н., м. н. с. ООО «НПО «Мембраны» (Воронеж, Российская Федерация)

Светлана Николаевна Грушевская, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. х. н., доцент кафедры физической химии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

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

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

Александр Викторович Введенский, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. х. н., профессор кафедры физической химии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Septina W., Ikeda Sh., Khan M. A., … Peter L. M. Potentiostatic electrodeposition of cuprous oxide thin films for photovoltaic applications. Electrochimica Acta. 2011;56(13): 4882−4888. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.02.075

Strehblow H. H., Milosev I. Electrochemical behavior of Cu-xZn alloys in borate buffer solution at pH 9.2. Journal of the Electrochemical Society. 2003;150(11): B517−B524. https://doi.org/10.1149/1.1615997

Singh N. , Choudhary S. , Upadhyay S. , Satsangi V. R., Dass S., Shrivastav R. Nanocrystalline Zn1–xAgxOy thin films evolved through electrodeposition for photoelectrochemical splitting of water. Journal of Solid State Electrochemistry. 2014;18(2): 523−533. https://doi.org/10.1007/s10008-013-2285-y

Zhu S., Wang D. Photocatalysis: basic principles, diverse forms of implementations and emerging scientific opportunities. Advanced Energy Materials. 2017;7(23): 1700841. https://doi.org/10.1002/aenm.201700841

Navarro R. M., Álvarez Galván M. C., del Valle F., Villoria de la Mano J. A., Fierro J. L. G. Water splitting on semiconductor catalysts under visible-light irradiation. ChemSusChem. 2009;2(6): 471−485. https://doi.org/10.1002/cssc.200900018

Kozlova E. A., Parmon V. N. Heterogeneous semiconductor photocatalysts for hydrogen production from aqueous solutions of electron donors. Russian Chemical Reviews. 2017;86(9): 870. https://doi.org/10.1070/rcr4739

Ge J., Zhang Y., Heo Y.-J., Park S.-J. Advanced design and synthesis of composite photocatalysts for the remediation of wastewater: A review. Catalysts. 2019;9(2): 122. https://doi.org/10.3390/catal9020122

Sadovnikov S. I., Kozlova E. A., Gerasimov E. Yu., Rempel A. A., Gusev A. I. Enhanced photocatalytic hydrogen evolution from aqueous solutions on Ag2S/Ag heteronanostructure. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(40): 25258−25266. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.145

Markovskaya D. V., Gribov E. N., Kozlova E. A., Kozlov D. V., Parmon V. N. Modification of sulfidebased photocatalyst with zinc-and nickel-containing compounds: Correlation between photocatalytic activity and photoelectrochemical parameters. Renewable Energy. 2020;151: 286−294. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.11.030

He H., Liao A., Guo W., Luo W., Zhou Y., Zou Z. State-of-the-art progress in the use of ternary metal oxides as photoelectrode materials for water splitting and organic synthesis. Nano Today. 2019;28: 100763. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.100763

Mehdi H. E., Hantehzadeh M. R., Valedbagi Sh. Physical properties of silver oxide thin film prepared by DC magnetron sputtering: effect of oxygen partial pressure during growth. Journal of Fusion Energy. 2013;32(1): 28−33. https://doi.org/10.1007/s10894-012-9509-5

Gao X.-Y., Wang S.-Y., Li J., … Chen L.-Y. Study of structure and optical properties of silver oxide films by ellipsometry, XRD and XPS methods. Thin Solid Films. 2004;455-456: 438−442. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.11.242

Barik U. K., Srinivasan S., Nagendra C. L., Subrahmanyam A. Electrical and optical properties of reactive DC magnetron sputtered silver oxide thin films: role of oxygen. Thin Solid Films. 2003;429(1-2): 129−134. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00064-6

Ida Y., Watase S., Shinagawa T., … Izaki M. Direct electrodeposition of 1.46 eV band gap silver (I) oxide semiconductor films by electrogenerated acid. Chemistry of Materials. 2008;20(4): 1254−1256. https://doi.org/10.1021/cm702865r

Ferretti A. M., Ponti A., Molteni G. Silver(I) oxide nanoparticles as a catalyst in the azide–alkyne cycloaddition. Tetrahedron Letters. 2015;56(42): 5727−5730. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2015.08.083

Wei J., Lei Y., Jia H., Cheng J., Hou H., Zheng Z. Controlled in situ fabrication of Ag2O/AgO thin films by a dry chemical route at room temperature for hybrid solar cells. Dalton Transactions. 2014;43(29): 11333−11338. https://doi.org/10.1039/c4dt00827h

Wang W., Zhao Q., Dong J., Li J. A novel silver oxides oxygen evolving catalyst for water splitting. International Journal of Hydrogen Energy. 2011;36(13): 7374−7380. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.03.096

Yin Z., Liangxu X., Cao S., Xiao Y. Ag/Ag2O confined visible-light driven catalyst for highly efficient selective hydrogenation of nitroarenes in pure water medium at room temperature. Chemical Engineering Journal. 2020;394: 125036. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125036

Vvedenskii A. V., Grushevskaya S. N., Kudryashov D. A., Ganzha S. V. Thin oxide films on metals and alloys: kinetics of anodic formation and photoelectrochemical properties*. Voronezh: Publishing and printing center «Nauchnaya kniga»; 2016. 296 p. (In Russ.)

Vvedenskii A., Grushevskaya S., Kudryashov D., Kuznetsova T. Kinetic peculiarities of anodic dissolution of silver and Ag-Au alloys under the conditions of oxide formation. Corrosion Science. 2007;49(12): 4523−4541. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2007.03.046

Vvedenskii A., Grushevskaya S., Kudryashov D., Ganzha S. The influence of the conditions of the anodic formation and the thickness of Ag (I) oxide nanofilm on its semiconductor properties. Journal of Solid State Electrochemical. 2010;14(8): 1401−1413. https://doi.org/10.1007/s10008-009-0952-9

Belyanskaya I. A., Taran A. I., Grushevskaya S. N., Vvedenskii A. V. Anodic formation and characteristics of silver oxides on alloys of Ag-Zn system. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2020;(3): 5−13. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/title_about_new.asp?id=9907

Bocharnikova M. Yu., Murtazin M. M., Grushevskaya S. N., Kozaderov O. A., Vvedensky A. V. Anodic formation and properties of nanoscale oxide layers on silver–zinc alloys with different concentrations of nonequilibrium vacancies. Journal of Solid State Electrochemistry. 2022;26(8): 1637−1644. https://doi.org/10.1007/s10008-022-05204-z

McCarthy S., Braddock D. C., Wilton- Ely J. D. E. T. Strategies for sustainable palladium catalysis. Coordination Chemistry Reviews. 2021;442: 213925. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.213925

Li Z., Meng X. Recent development on palladium enhanced photocatalytic activity: A review. Journal of Alloys and Compounds. 2020;830: 154669. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154669

Ryabtsev S. V., Ievlev V. M., Samoylov A. M., Kuschev S. B., Soldatenko S. A. Microstructure and electrical properties of palladium oxide thin films for oxidizing gases detection. Thin Solid Films. 2017;636; 751−759. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.04.009

Chiang Y.-J., Pan F.-M. PdO nanoflake thin films for CO gas sensing at low temperatures. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117: 15593−15601. https://doi.org/10.1021/jp402074w

Arora K., Srivastava S., Solanki P. R., Puri N. K. Electrochemical hydrogen gas sensing employing palladium oxide/reduced graphene oxide (PdO-rGO) nanocomposites. IEEE Sensors Journal. 2019;19(18): 8262−8271. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2918360

Wang J., Fan X., Liu B., Li C., Bai J. EuxOy-PdO catalyst concerted efficiently catalyzes Suzuki- Miyaura coupling reaction. Materials Chemistry and Physics. 2020;252: 123227. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123227

Mahara Y., Murata K., Ueda K., Ohyama J., Kato K., Satsuma A. Time resolved in situ DXAFS revealing highly active species of PdO nanoparticle catalyst for CH4 oxidation. ChemCatChem. 2018;10: 3384−3387. https://doi.org/10.1002/cctc.201800573

Rao F., Zhu G., Wang M., … Hojambediev M. Constructing the Pd/PdO/β-Bi2O3 microspheres with enhanced photocatalytic activity for Bisphenol A degradation and NO removal. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2020;95(3): 862−874. https://doi.org/10.1002/jctb.6276

Nguyen T. D., Cao V. D., Nong L. X., … Vo D.‑V. N. High photocatalytic performance of Pd/PdO-supported BiVO4 nanoparticles for Rhodamine B degradation under visible LED light irradiation. ChemistrySelect. 2019; 4(20): 6048−6054. https://doi.org/10.1002/slct.201901295

Zahra T., Ahmad K. S., Thomas A. G., … Sohail M. Phyto-inspired and scalable approach for the synthesis of PdO–2Mn2O3: A nano-material for application in water splitting electro-catalysis. RSC Advances. 2020;10(50): 29961−29974. https://doi.org/10.1039/D0RA04571C

Zeledón Z. J. A., Stevens M. B., Gunasooriya G. T. K. K., … Jaramillo T. F. Tuning the electronic structure of Ag–Pd alloys to enhance performance for alkaline oxygen reduction. Nat Commun. 2021;12: 620. https://doi.org/10.1038/s41467-021-20923-z

Slanac D. A., Hardin W. G., Johnston K. P., Stevenson K. J. Atomic ensemble and electronic effects in Ag-Rich AgPd nanoalloy catalysts for oxygen reduction in alkaline media. Journal of the American Chemical Society. 2012;134(23): 9812–9819. https://doi.org/10.1021/ja303580b

Grinberg V. A., Emec V. V., Majorova N. A., … Codikov M. V. Photoelectrochemical activity of nanosized titania, doped with bismuth and lead, in visible light region. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2019;55(1): 55−64. https://doi.org/10.1134/S0044185619010121

Belyanskaya I. A., Bocharnikova M. Yu., Grushevskaya S. N., Kozaderov O. A., Vvedenskii A. V., Kannykin S. V. Anodic formation and photoelectrochemical characteristics of Ag(I) oxide on the Ag–Pd-system alloys. Russian Journal of Electrochemistry. 2024;60(6): 468–477, in press.

Wouda P. T., Schmid M., Nieuwenhuys B. E., Varga P. STM study of the (111) and (100) surfaces of PdAg. Surface Science. 1998;417(2-3): 292−300. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(98)00673-6

Zhao M., Brouwer J. C., Sloof W. G., Bottger A. J. Surface segregation of Pd-Cu alloy in various gas atmospheres. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45: 21567e21572. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.05.268

Hecht D., Borthen P., Strehblow H. -H. In situ examination of anodic silver oxide films by EXAFS in the reflection mode. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1995;381: 113−121. https://doi.org/10.1016/0022-0728(94)03611-6

Bolzan A. E. Phenomenological aspects related to the electrochemical behaviour of smooth palladium electrodes in alkaline solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1995;380: 127−138. https://doi.org/10.1016/0022-0728(94)03627-F