Наноразмерные эффекты металл-ионообменных композитов в электрохимическом восстановлении растворенного в воде кислорода
Аннотация
В работе получены нанокомпозиты, содержащие наночастицы металла (Cu) в макропористой сульфокатионообменной матрице. Исследованы процессы объемного химического осаждения металла в ионообменную матрицу нового поколения (Lewatit K2620), отличающуюся монопористой структурой, и получены различного нанометрового размера и содержания частицы металла на ее поверхности и в порах.
Рентгенографически выявлено, что в основном частицы осажденного металла имеют наномасштабный размер. В зависимости от природы восстановителя (дитионит натрия, боргидрид натрия) и прекурсора (гидроксид натрия, аминоуксусная кислота) размеры частиц осажденного металла составляют в среднем от 10 до 32 нм. Микроскопически отмечено образование ассоциатов базовых частиц размером 100-300 нм. Содержание наночастиц металла (емкость нанокомпозита по металлу) находится в зависимости от числа циклов осаждения и составляет от 0.3 до 9.4 мэкв.см-3 для 1-10 циклов. Размер частиц несколько увеличивается (в 1.5-2 раза) с ростом числа циклов осаждения.
Исследован процесс поглощения молекулярного кислорода из воды на катодно поляризованных зернистых слоях нанокомпозитов медь – сульфокатионообменник. С наложением тока катодного направления количество поглощенного кислорода возрастает, определенную долю составляет электрохимическая компонента: убыль кислорода происходит как за счет его восстановления током, так и за счет химического окисления наночастиц металла. Экспериментально показано, что концентрация кислорода на выходе из зернистого слоя и количество поглощенного кислорода проявляют зависимость от размерных факторов. В условиях электрохимической поляризации размерные факторы являются действенным инструментом интенсификации процесса восстановления кислорода. Снижение размера частиц металлического компонента закономерно соответствует росту скорости процесса в целом. Скорость процесса в зависимости от количества циклов осаждения металла возрастает, проявляя перколяционный эффект, определяющий тот предельный уровень содержания металлического компонента в нанокомпозите, при котором процесс становится максимально эффективен.
При электрохимической поляризации процесс вытесняется из внутридиффузионно-химической области лимитирования во внешнедиффузионную, обеспечивающую более высокую скорость. В области допредельных токов процесс электровосстановления кислорода осложнен внутренней диффузией и химической реакцией, и, следовательно, закономерно зависит от размерных факторов.
Скачивания
Литература
Pul Ch., Ouens F. Nanotekhnologii. 2-e izd. M.: Tekhnosfera, 2006, 336 p.
Sergeev G.B. Nanohimiya. 2-e izd. M., MGU, 2007, 336 p.
Yaroslavcev A.B., Maksimovskij S.N., Hosokava M. et al., Spravochnik po tekhnologii nanochastic, M., Nauchnyj mir, 2013, 730 p.
Petrij O.A., Uspekhi himii, 2015, Vol. 84, No 2, pp. 159-193.
Ting Ch.Ch., Liu Ch. Hs., Tai Ch. Y. et al., Journal of Power Sources, 2015, No 280, pp. 166-172.
Reske R., Mistry H., Behafarid F. et al., Journal of American Chemical Society, 2014, No 136, pp. 6978-6986.
Tripachev O.V., Tarasevich M.R., Zhur-nal fizicheskoj himii, 2013, Vol. 87, No 5, pp. 835-841.
Nesselberger M., Roefzaad M., Hamou R.F. et al., Nature Materials, 2013, No 12, pp. 919-924.
Proch S., Wirth M., White H.S. et al., Journal of American Chemical Society, 2013, No 135, pp. 3073-3086.
Chernavskij P.A., Pankina G.V., Ivancov M.I. et al., Zhurnal fizicheskoj himii, 2013, Vol. 87, No 8, pp. 1356-1360.
Leontyev I.N., Belenov S.V., Guterman V.E. et al., Journal of Physical Chemistry, 2011, No 115, pp. 5429-5434.
Pomogajlo A.D., Rozenberg A.S., Ufly-and I.E., Nanochasticy metallov v polimerah, M., Himiya, 2000, 672 p.
Krylov O.V., Geterogennyj kataliz, M., IKC «Akademkniga», 2004, 679 p.
Safronova E.Yu., Yaroslavtsev A.B., Petroleum Chemistry, 2016, Vol. 56, No 4, pp. 281-293.
Povolockaya A.V, Povolockij A.V., Man'shina A.A., Uspekhi himii, 2015, Vol. 84, No 6, pp. 579-600.
Grzelczak M., Vermant J., Furst E.M. et.al., ACS Nano. Nanocomposites: Synthe-sis, Characterization and Applications, N.Y., Nova Sc. Publ., 2010, pp. 3591-3605.
Yaroslavcev A.B., Rossijskie nano-tekhnologii, 2012, Vol. 7, No 9-10, pp. 8-18.
Shel'deshov N.V., Mel'nikov S.S., Solov'eva T.T. et al., Elektrohimiya, 2011, Vol. 47, No 2, pp. 213-221.
Al'tshuler G.N., Sapozhnikova L.A., Malyshenko N.V. et al., Zhurnal fizicheskoj himii, 2011, Vol. 85, No 4, pp. 743-747.
Gurskiy V., Kharitonova E., Ion transport in organic and inorganic mem-branes, Krasnodar, 2010, pp. 62.
Vol'f I.V., Sinyakova M.A., Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2005, Vol. 5, No 1, pp. 23-31.
Vosmerikova L.N., Velichkina L.M., Korobicyna L.L. et al., Zhurnal prikladnoj himii, 2000, Vol. 73, No 9, pp. 1477-1481.
Rollins H.W., Lin F., Johnson J. et.al., Langmur, 2000, Vol. 16, No 21, pp. 8031-8036.
Razumov V.F., Baryshnikov B.V., Razumov M.V. Doklady Akademii nauk, 1996, Vol. 348, No 1, pp. 62-65.
Melihov I.V. Fiziko-khimicheskaya evolyuciya tverdogo veshchestva, 2-e izd., M., BINOM, Laboratoriya znanij, 2012, 309 p.
Kalinichev A.I., Advances in Nanopar-ticles, 2013, No 2, pp. 191-203.
Hudyakova S.N., Tokmachev M.G., Fe-rapontov N.B., Zhurnal fizicheskoj himii, 2013, Vol. 87, No 7, pp. 1243-1248.
Al'tshuler O.G., Malyshenko N.V., Shkurenko G.Yu. et al., Teoreticheskie osno-vy himicheskoj tekhnologii, 2009, Vol. 43, No 1, pp. 47-53.
Shabatina T.I., Mascetti Dzh., Ogden Dzh. et al., Uspekhi himii, 2007, Vol. 76, No 12, pp. 1202-1218.
Rostovshchikova T.N., Smirnov V.V., Kozhevin V.M. et al., Rossijskie nano-tekhnologii, 2007, Vol. 2, No 1-2, pp. 47-60.
Volkov V.V., Kravchenko T.A., Rol-dughin V.I., Chemical Review, 2013, Vol. 82, No 5, pp. 465-482. DOI: 10.1070/RC2013v082n05ABEH004325
Kravchenko T.A., Khorolskaya S.V., Polyanskiy L.N. et al., Nanocomposites: Syn-thesis, Characterization and Application, N.Y. Nova Science Publishers, 2013, pp. 329-348.
Kravchenko T.A., Aristov I.V., Ion Ex-change, N.Y., M., Dekker, 2000, pp. 691-764.
Kravchenko T.A., Polyanskij L.N., Ka-linichev A.I. et al., Nanokompozity metall-ionoobmennik, M., Nauka, 2009, 391 p.
Kravchenko T.A., Zolotuhina E.V., Chajka M.Yu. et al., Elektrohimiya nanokompozitov metall-ionoobmennik, M., Nauka, 2013, 365 p.
Informaciya o produkte Lewatit K2620. Rezhim dostupa: http://filtroxrus.ru/uploads/files/smoly_LEWATIT/K%202620-RUS.pdf (data obrashcheniya: 07.04.2020).
Krishtal M.M., Yasnikov I.S., Mir fiziki i tekhniki. Skaniruyushchaya elektronnaya mikroskopiya i rentgenospektral'nyj mikroanaliz v primerah prakticheskogo primeneniya, M., Tekhnosfera, 2009, 208 p.
Kravchenko T.A., Vahnin D.D., Pridorogina V.E. et al., Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2020, Vol. 20, No 4, pp. 539-548.
Kravchenko T.A., Vahnin D.D., Chumakova A.V. et al., Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2020, Vol. 20, No 4, pp. 434-444.
Horol'skaya S.V, Polyanskij L.N., Kravchenko T.A. et al., Rossijskie nanotekhnologii, 2015, Vol. 10, No 9-10, pp. 69-73.
