Анодное формирование и фотоэлектрохимические характеристики оксида Ag(I) на сплавах системы Ag-Pd

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Оксид серебра (I) рассматривается как один из перспективных материалов для фотоэлектрохимических технологий, поскольку характеризуется оптимальным значением ширины запрещенной зоны, относительно невысокой стоимостью и широким спектром способов получения. Однако такие его характеристики, как квантовая эффективность, параметры морфологии и кристаллической структуры, требуют оптимизации, которую можно достичь, применяя наиболее подходящий способ получения материала. Одним из достаточно простых способов является анодное окисление серебра или его сплавов в щелочной среде, позволяющее получать оксидные фазы контролируемого состава и с прогнозируемыми свойствами за счет варьирования концентрации компонентов сплава и режима электролиза. Цель данной работы – выявление особенностей анодного формирования и определение фотоэлектрохимических характеристик оксида серебра (I) на сплавах серебра с палладием в деаэрированном 0.1 М KOH. Закономерности анодного формирования оксида Ag(I) на сплавах системы Ag-Pd с атомной долей палладия от 0.05 до 0.20 в деаэрированном 0.1 М KOH исследованы нестационарными электрохимическими методами циклической вольтамперометрии, хроноамперометрии с синхронной регистрацией фототока и измерения фотопотенциала. Фазовый состав сплавов (альфа-фаза) определен по результатам рентгеновской дифрактометрии, химический состав – по результатам энергодисперсионного микроанализа. Фотоэлектрохимические параметры рассчитаны по результатам измерения фототока и фотопотенциала. Установлено, что оксид Ag(I), анодно сформированный на сплавах серебра с палладием, характеризуется n-типом проводимости и преобладанием донорных дефектов. На сплавах с относительной низкой концентрацией палладия (5 и 10 ат. %) формируется оксид Ag(I) с более высокой концентрацией дефектов, тогда как на сплавах с относительно высокой концентрацией палладия (15 и 20 ат. %) – с более низкой концентрацией дефектов, чем на серебре.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Белянская

Воронежский государственный университет

Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

М. Ю. Бочарникова

Воронежский государственный университет

Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

С. Н. Грушевская

Воронежский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

О. А. Козадеров

Воронежский государственный университет

Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

А. В. Введенский

Воронежский государственный университет

Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

С. В. Канныкин

Воронежский государственный университет

Email: sg@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

Список литературы

  1. Wan, C., Zhou, L., Sun, L., Xu, L., Cheng, D., Chen, F., Zhan, X., and Yang, Y., Boosting visible-light-driven hydrogen evolution from formic acid over AgPd/2D g-C3N4 nanosheets Mott-Schottky photocatalyst, Chem. Eng. J., 2020, vol. 396, 125229. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125229
  2. Gellé, A., Jin, T., de la Garza, L., D. Price, G., V. Besteiro, L., and Moores, A., Applications of plasmon-enhanced nanocatalysis to organic transformations, Chem. Rev., 2019, vol. 120, no. 2, p. 986. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00187
  3. Zhang, X., Chen, Y.L., Liu, R.-S., and Tsai, D.P., Plasmonic photocatalysis, Rep. Prog. Phys., 2013, vol. 76, 046401. https://doi.org/10.1088/0034–4885/76/4/046401
  4. Bunluesak, T., Phuruangrat, A., Thongtem, S., and Thongtem, T., Photodeposition of AgPd nanoparticles on Bi2WO6 nanoplates for the enhanced photodegradation of rhodamine B, Inorg. Chem. Commun., 2021, vol. 124, 108399. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2020.108399
  5. Tang, J., Yamamoto, S., Koitaya, T., Yoshikura, Y., Mukai, K., Yoshimoto, S., Matsuda, I., and Yoshinobu, J., Hydrogen adsorption and absorption on a Pd-Ag alloy surface studied using in-situ X-ray photoelectron spectroscopy under ultrahigh vacuum and ambient pressure, Appl. Surf. Sci., 2019, vol. 463, p. 1161. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.078
  6. Родина, Н.Д., Морозова, Н.Б., Введенский, А.В. Кинетика выделения атомарного водорода и водородопроницаемость сплавов Ag-Pd в щелочной среде. Конденсированные среды и межфазные границы. 2020. Т. 22. С. 266. [Rodina, N.D., Morozova, N.B., and Vvedenskii, A.V., Kinetics of Atomic Hydrogen Evolution and hydrogen permeability of Ag–Pd alloys in an alkaline medium, Condensed Matter and Interphases, 2020, vol. 22, p. 266.] https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2853
  7. Sharma, B. and Kim, J.-S., Pd/Ag alloy as an application for hydrogen sensing, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 40, p. 25446. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.142
  8. Mahmood, N., Yao, Y., Zhang, J.-W., Pan, L., Zhang, X., and Zou, J.-J., Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes: Mechanisms, Challenges, and Prospective Solutions, Adv. Sci., 2018, vol. 5, 1700464. https://doi.org/10.1002/advs.201700464
  9. Petriev, I., Hydrogen permeability and catalytic characteristics of a palladium-silver membrane with a modified surface, J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1758, 012029. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1758/1/012029
  10. Galante, M.T., Sotelo, P., Hossain, M.K., Vali, A., Raamann, A., Longo, C., Macaluso, R.T., and Rajeshwar, K., Silver oxide-based semiconductors for solar fuels production and environmental remediation: a solid-state chemistry approach, ChemElectroChem, 2019, vol. 6, no. 1, p. 87. https://doi.org/10.1002/celc.201800885
  11. Parameswari, Raju and Qiliang, Li, Review – Semiconductor materials and devices for gas sensors, J. Electrochem. Soc., 2022, vol. 169, 057518. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac6e0a
  12. Pargar, F. and Koleva, D., Polarization behaviour of silver in model solutions, Int. J. Struct. Civ. Eng. Res., vol. 6, no. 3, p. 172. https://doi.org/10.18178/ijscer.6.3.172-176
  13. Shrestha, B.R., Nishikata, A., and Tsuru, T., Channel flow double electrode study on palladium dissolution during potential cycling in sulfuric acid solution, Electrochim. Acta, 2012, vol. 70, p. 42. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.03.023
  14. DallʹAntonia, L.H., Tremiliosi-Filho, G., and Jerkiewicz, G., Influence of temperature on the growth of surface oxides on palladium electrodes, J. Electroanal. Chem., 2001, vol. 502, no. 1–2, p. 72. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(00)00505-2
  15. Lyon, S.B., Corrosion of Noble Metals, Mater. Sci. Mater. Eng., 2010, vol. 3, p. 2205. https://doi.org/10.1016/B978-044452787-5.00109-8
  16. Erikson, H., Sarapuu, A., Alexeyeva, N., Tammeveski, K., Solla-Gullón, J., and Feliu, J.M., Electrochemical reduction of oxygen on palladium nanocubes in acid and alkaline solutions, Electrochim. Acta, 2012, vol. 59, p. 329. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.10.074
  17. Bolzan, A.E., Phenomenological aspects related to the electrochemical behaviour of smooth palladium electrodes in alkaline solutions, J. Electroanal. Chem., 1995. vol. 380, p. 127. https://doi.org/10.1016/0022-0728(94)03627-F
  18. Cuesta, A., Kibler, L.A., and Kolb, D.M., A method to prepare single crystal electrodes of reactive metals: application to Pd (hkl), J. Electroanal. Chem., 1999, vol. 466, no. 2, p. 165. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(99)00135-7
  19. Goosner, K. and Mizera, E., The anodic oxidation of gold + palladium alloys, J. Electroanal. Chem., 1982, vol. 140, no. 1, p. 47. https://doi.org/10.1016/0368-1874(82)85298-2
  20. Gates-Rector, S. and Blanton, T., The Powder Diffraction File: A Quality Materials Characterization Database, Powder Diffr., 2019, vol. 34 (4), p. 352. https://doi.org/10.1017/S0885715619000812
  21. Ruiz-Ruiz, V.-F., González-Olvera, R., Díaz-Pardo, R., Betancourt, I., Zumeta-Dubé, I., Díaz, D., Farfán, N., and Arellano-Jiménez, M.J., Mechanochemically obtained Pd–Ag nanoalloys. Structural considerations and catalytic activity, Materialia, 2018, vol. 4, p 166. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2018.09.031
  22. José, A., Zeledón, Z., Stevens, M.B., Kasun Kalhara Gunasooriya, G.T., Gallo, A., Landers, A.T., Kreider, M.E., Hahn, C., Nørskov, J.K., and Jaramillo, T.F., Tuning the electronic structure of Ag-Pd alloys to enhance performance for alkaline oxygen reduction, Nat. Commun., 2021, vol. 12, p. 620. https://doi.org/10.1038/s41467-021-20923-z
  23. Pawley, G.S., Unit-cell refinement from powder diffraction scans, J. Appl. Cryst., 1981, vol. 14, p. 357. https://doi.org/10.1107/S0021889881009618
  24. CRC Handbook of Chemistry and Physics (95th edn), Haynes, W.M., Eds, Boca Raton London New York: CRC Press, 2014. 2704 p.
  25. Маршаков, И.К., Введенский, А.В., Кондрашин, В.Ю., Боков, Г.А. Анодное растворение и селективная коррозия сплавов, Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1988. 208 с. [Marshakov, I.K., Vvedenskiy, A.V., Kondrashin V.Y., and Bokov, G.A., Anodic dissolution and selective corrosion of alloys (in Russian), Voronezh: Publishing house of Voronezh State University, 1988. 208 p.]
  26. Ганжа, С.В., Максимова, С.Н., Грушевская, С.Н., Введенский, А.В. Формирование оксидов на меди в щелочном растворе и их фотоэлектрохимические свойства. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47, № 2. С. 164. [Ganzha, S.V., Maksimova, S.N., Grushevskaya, S.N., and Vvedenskii, A.V., Formation of oxides on copper in alkaline solution and their photoelectrochemical properties, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 2011, vol. 47, no. 2, p. 191.] https://doi.org/10.1134/S2070205111020080
  27. Chien-Jung, Huang, Fu-Ming, Pan, Hsiu-Ying, Chen, and Li-Chang, Growth and photoresponse study of PdO nanoflakes reactive-sputter deposited on SiO2, J. Appl. Phys., 2010, vol. 108, 053105. https://doi.org/10.1063/1.3476567
  28. Chiang, Y.-J. and Pan, F.-M., PdO nanoflake thin films for CO gas sensing at low temperatures, J. Phys. Chem. C, 2013, vol. 117, p. 15593. https://doi.org/10.1021/jp402074w
  29. Ryabtsev, S.V., Ievlev, V.M., Samoylov, A.M., Kuschev, S.B., and Soldatenko, S.A., Microstructure and electrical properties of palladium oxide thin films for oxidizing gases detection, Thin Solid Films, 2017, vol. 636, p. 751. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.04.009
  30. Кудряшов, Д.А., Грушевская, С.Н., Введенский, А.В. Определение некоторых структурно-чувствительных характеристик наноразмерного анодного оксида Ag(I) по данным спектроскопии фотопотенциала. Защита металлов. 2007. Т. 43. № 6. С. 652. [Kudryashov, D.A., Grushevskaya, S.N., and Vvedenskii, A.V., Determining some structure-sensitive characteristics of nano-sized anodic Ag(I) oxide from photopotential spectroscopy, Protection of Metals, 2007, vol. 43, no. 6, p. 591.] https://doi.org/10.1134/S0033173207060124
  31. Кудряшов, Д.А., Грушевская, С.Н., Введенский, А.В. Анодное формирование и свойства полупроводниковых нанопленок Ag2O на монокристаллах серебра. Конденсированные среды и межфазные границы. 2007. Т. 9. № 1. С. 53. [Kudryashov, D.A., Grushevskaya, S.N., and Vvedenskii, A.V., Anodic formation and properties of Ag2O semiconductor nanofilms on silver monocrystals, Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy (in Russian), 2007, vol. 9, no. 1, p. 53.]
  32. Кудряшов, Д.А., Грушевская, С.Н., Ганжа, С.В., Введенский, А.В. Влияние ориентации кристаллической грани серебра и его легирования золотом на свойства тонких анодных пленок оксида Ag (I). Ч. 1. Фототок. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т. 45. № 5. С. 451. [Kudryashov, D.A., Grushevskaya, S.N., Ganzha, S.V., and Vvedenskii, A.V., Effect of the crystal face orientation and alloying with gold on the properties of thin anodic films of Ag(I) oxide: I. Photocurrent, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 2009, vol. 45, no. 5, p. 501.] https://doi.org/10.1134/S2070205109050013
  33. Новый справочник химика и технолога. Основные свойства неорганических, органических и элементоорганических соединений, С.-Пб.: АНО НПО “Мир и Семья”, 2002. 1280 с. [New Handbook of Chemist and Technologist. Basic properties of inorganic, organic and organoelement compounds (in Russian), Saint Petersburg: ANO SEO “Mir i Semʹya”, 2002. 1280 p.]
  34. Новый справочник химика и технолога. Общие сведения. Строение вещества. Физические свойства важнейших веществ. Ароматические соединения. Химия фотографических процессов. Номенклатура органических соединений. Техника лабораторных работ. Основы технологии. Интеллектуальная собственность, С.-Пб.: НПО “Профессионал”, 2006. 1464 с. [New Handbook of Chemist and Technologist. General information. Structure of substances. Physical properties of the most important substances. Aromatic compounds. Chemistry of photographic processes. Nomenclature of organic compounds. Technique of laboratory works. Fundamentals of technology. Intellectual property (in Russian), Saint Petersburg: SEO “Professional”, 2006. 1464 p.]
  35. Jiang, Z.Y., Huang, S.Y., and Qian, B., Semiconductor properties of Ag2O film formed on the silver electrode in 1 M NaOH solution, Electrochim. Acta, 1994, vol. 39, no. 16, p. 2465. https://doi.org/10.1016/0013-4686(94) E0149-I

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы сплавов системы Ag-Pd

Скачать (293KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм серебра и сплавов Ag-Pd

Скачать (102KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Анодные вольтамперограммы, полученные на серебре и его сплавах с палладием в деаэрированном 0.1 М KOH при скорости сканирования потенциала 5 мВ/с

Скачать (94KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Анодные хроноамперограммы на серебре и его сплавах с палладием в 0.1 М KOH за все время эксперимента и в области малых времен (вставка)

Скачать (133KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость фототока от времени в режиме импульсного освещения поверхности серебра и его сплавов с палладием при анодной поляризации

Скачать (115KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость фототока от толщины пленки Ag2O, сформированной на Ag20Pd

Скачать (87KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Фотопотенциал в оксиде Ag2O, сформированном на серебре и сплавах системы Ag-Pd

Скачать (103KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024