The kinetics of cathodic hydrogen evolution on titanium disilicide in a sulphuric acid solution

Валерия Витальевна Третьякова; Виктория Вячеславовна Пантелеева; Анатолий Борисович Шеин

doi:10.17308/kcmf.2022.24/9058

Валерия Витальевна Третьякова Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7629-9307
Виктория Вячеславовна Пантелеева Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1506-6665
Анатолий Борисович Шеин Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2102-0436

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9058

Ключевые слова: дисилицид титана TiSi2, реакция выделения водорода, сернокислый электролит, импеданс

Аннотация

Методами поляризационных и импедансных измерений изучены кинетика и механизм реакции выделения водорода на TiSi₂-электроде в растворах x M H₂SO₄ + (0.5 – x) M Na₂SO₄ (x = 0.5; 0.35; 0.20; 0.05).
Катодные поляризационные кривые TiSi₂-электрода характеризуются тафелевским участком с наклоном 0.116–0.120 В при E от –0.30 до –0.48 В (ст.в.э.). Величина перенапряжения выделения водорода при i = 1 А/см² для TiSi₂ составляет 0.90–0.96 В. Кинетические параметры реакции выделения водорода на силициде близки к теоретическим для замедленной стадии переноса заряда.
На основании измерений дифференциальной емкости TiSi₂-электрода (при f = 10 кГц) в зависимости от величины катодной поляризации и кислотности электролита сделано заключение о присутствии на поверхности силицида тонкой диэлектрической пленки диоксида кремния (Si + 2H₂O → SiO₂ + 4H⁺ + 4e^–), которая не восстанавливается при невысоких катодных поляризациях.
Спектры импеданса TiSi₂-электрода при потенциалах тафелевской области представляют собой емкостные полуокружности со смещенным центром. Спектры импеданса описываются эквивалентной электрической схемой, фарадеевский импеданс которой состоит из последовательно соединенных сопротивления переноса заряда R₁ и параллельной R₂C₂-цепочки, отвечающей адсорбции атомарного водорода на поверхности электрода; импеданс двойнослойной емкости моделируется элементом постоянной фазы СРЕ₁. Критерий c2 для схемы составляет
(1.3–3.7)·10–4 (при использовании data modulus weighting); сумма квадратичных отклонений равна (1.5–4.1)·10–2; ошибка определения значений параметров схемы не превышает 10 %.
Экспериментальные значения наклонов lg R₁,E-, lg R₂,E- и lg C₂,E-зависимостей близки к теоретическим значениям наклонов для механизма разряд – электрохимическая десорбция, в котором обе стадии необратимы и коэффициенты переноса стадий не равны, при выполнении изотермы Ленгмюра для адсорбированного атомарного водорода. Одновременно с реакцией выделения водорода протекает реакция абсорбции водорода с кинетическим контролем.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Валерия Витальевна Третьякова , Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация

магистрант кафедры физической химии химического факультета, Пермский государственный национальный исследовательский университет (Пермь, Российская Федерация).

Виктория Вячеславовна Пантелеева, Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация

к. х. н., доцент кафедры физической химии химического факультета, Пермский государственный национальный исследовательский университет (Пермь, Российская Федерация).

Анатолий Борисович Шеин, Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, 15, Пермь 614990, Российская Федерация

д. х. н., профессор, заведующий кафедрой физической химии химического факультета, Пермский государственный национальный исследовательский университет (Пермь, Российская Федерация).

Литература

Shamsul Huq A. K. M., Rosenberg A. J. J. Electrochemical behavior of nickel compounds: I. The hydrogen evolution reaction on NiSi, NiAs, NiSb, NiS, NiTe2, and their constituent elements. Journal of The Electrochemical Society. 1964;111(3): 270–278. https://doi.org/10.1149/1.2426107

Vijh A. K., Belanger G., Jacques R. Electrochemical activity of silicides of some transition metals for the hydrogen evolution reaction in acidic solutions. International Journal of Hydrogen Energy. 1990;15(11): 789–794. https://doi.org/10.1016/0360-3199(90)90014-P

Vijh A. K., Belanger G., Jacques R. Electrolysis of water on silicides of some transition metals in alkaline solutions. International Journal of Hydrogen Energy. 1992; 15(7): 479–483.

https://doi.org/10.1016/0360-3199(92)90146-N

Wirth S., Harnisch F., Weinmann M., Schröder U. Comparative study of IVB-VIB transition metal compound electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction. Applied Catalysis B: Environmental. 2012;126: 225–230. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2012.07.023

Shein A. B., Kichigin V. I., Konyk M., Romaka L., Stadnyk Yu. Study of the kinetics and mechanism of the hydrogen evolution reaction on CeMe2Ge2 electrodes (Me = Fe, Co, Ni). Chemistry of Metals and Alloys. 2013;6(3-4): 113–120. https://doi.org/10.30970/cma6.0245

Meyer S., Nikiforov A. V., Petrushina I. M., Kohler K., Christensen E., Jensen J. O., Bjerrum N. J. Transition metal carbides (WC, Mo2C, TaC, NbC) as potential electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) at medium temperatures. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(7): 2905–2911. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.12.076

Safizadeh F., Ghali E., Houlachi G. Electrocatalysis developments for hydrogen evolution reaction in alkaline solutions – A Review. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(1);256–274. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.10.109

Kichigin V. I., Shein A. B. Kinetics and mechanism of hydrogen evolution reaction on cobalt silicides in alkaline solutions. Electrochimica Acta. 2015;164: 260–266. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.02.198

Sapountzi F. M., Gracia J. M., Weststrate C. J., Fredriksson H. O. A., Niemantsverdriet J. W. Electrocatalysts for the generation of hydrogen, oxygen and synthesis gas. Progress in Energy and Combustion Science. 2017;58: 1–35. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2016.09.001

Eftekhari A. Electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(16): 11053–11077. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.125

Kichigin V. I., Shein A. B. An electrochemical study of the hydrogen evolution reaction at YNi2Ge2 and LaNi2Ge2 electrodes in alkaline solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2018;830-831: 72–79. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2018.10.029

Karfa P., Majhi K. C., Madhuri R. Group IV transition metal based phospho-chalcogenides@ MoTe2 for electrochemical hydrogen evolution reaction over wide range of pH. International Journal of Hydrogen Energy. 2019;44(45): 24628–24641. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.07.192

Panteleeva V. V., Votinov I. S., Polkovnikov I. S., Shein A. B. Kinetics of cathodic hydrogen evolution manganese monosilicide in sulfuric acid electrolyte. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2019;21(3): 432–440. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/1153

Kuzminykh M. M., Panteleeva V. V., Shein A. B. Cathodic hydrogen evolution on iron disilicide. I. Alkaline solution. Izvestiya vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = ChemChemTech. 2019;62(1):38–45. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196201.5745

Kuzminykh M. M., Panteleeva V. V., Shein A. B. Cathodic hydrogen evolution on iron disilicide. I. Acidic solution. Izvestiya vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = ChemChemTech. 2019;62(2): 59–64. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196202.5750

Theerthagiri J., Lee S. J., Murthy A. P., Madhavan J., Choi M. Y. Fundamental aspects and recent advances in transition metal nitrides as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction: A review. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2020;24(1): 100805–100827. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2020.100805

Rotinyan A. L., Tikhonov K. I., Shoshina I. A. Theoretical Electrochemistry. Leningrad: Khimiya Publ.; 1981. 424 p. (In Russ.)

Myurarka M. Silicides for SBIS. Moscow: Mir Publ.; 1986. 176 p. (In Russ.)

Sukhotin A. M. Handbook of Electrochemistry. Leningrad: Khimiya Publ.; 1981. 488 p. (In Russ.)

Zhang X. G. Electrochemistry of silicon and its oxide. Kluwer Academic/Plenum Publishers; 2001.510 p.

Orazem M. E., Tribollet B. Electrochemical Impedance Spectroscopy. John Wiley and Sons, boken; 2008. 533 p.

Kichigin V. I., Shein A. B. Diagnostic criteria for hydrogen evolution mechanisms in electrochemical impedance spectroscopy. Electrochimica Acta. 2014;138: 325–333. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.06.114

Kichigin V. I., Shein A. B. Influence of hydrogen absorption on the potential dependence of the Faradaic impedance parameters of hydrogen evolution reaction. Electrochimica Acta. 2016;201: 233–239. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.03.194