Подпотенциальное осаждение висмута и свинца на теллуриде висмута: новое понимание электрохимического синтеза теллурида висмута и оценки реальной площади поверхности

  • Алексей Степанович Боковец Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск
  • Евгений Николаевич Анискевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск
  • Геннадий Антонович Рагойша Учреждение БГУ «Научно-исследовательский институт физико-химических проблем», ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск
  • Евгений Анатольевич Стрельцов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

Аннотация

Обнаружено явление подпотенциального осаждения (UPD) свинца и висмута на теллуриде висмута (Bi2Te3) со значениями подпотенциального сдвига 0,3 и 0,1 В соответственно. UPD свинца позволяет определять реальную площадь поверхности теллурида висмута. Потенциодинамический профиль UPD Pb значительно отличается на теллуриде висмута и теллуре, что можно использовать для оценки чистоты электроосаждаемого теллурида висмута. Теллурид висмута осаждали из азотнокислого раствора TeO2 и соли висмута на стальные подложки, используя импульсное осаждение и циклическую вольтамперометрию (ЦВА). Результаты ЦВА свидетельствуют о формировании теллурида висмута в том же интервале потенциалов, где происходит анодное окисление висмута, что исключает формирование металлического Bi0 в качестве интермедиата осаждения Bi2Te3. Адатомы висмута более стабильны, чем металлический (массивный) Bi0 на теллуриде висмута, в связи с чем вероятно их участие в электроосаждении теллурида висмута. Потенциалы импульсного осаждения оптимизировали, учитывая процесс UPD висмута. Отсутствие фаз Te и Bi в электроосажденном Bi2Te3 было подтверждено путем использования рентгенофазового анализа и ЦВА. Электроосаждение из растворов с избыточным содержанием Bi3+ в электролите выявило формирование третьей формы Bi0, характеризуемой промежуточным значением потенциала окисления между массивным Bi0 (первая форма) и адатомами Bi (вторая форма), которая может соответствовать атомам висмута, интеркалированным в плоскости Ван-дер-Ваальса теллурида висмута. Интеркаляция Bi может быть интересна как потенциальное средство для расслоения слоистой структуры теллурида висмута.

Биографии авторов

Алексей Степанович Боковец, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

студент химического факультета. Научный руководитель – Г. А. Рагойша

Евгений Николаевич Анискевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

студент химического факультета. Научные руководители – Е. А. Стрельцов, Г. А. Рагойша

Геннадий Антонович Рагойша, Учреждение БГУ «Научно-исследовательский институт физико-химических проблем», ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск

кандидат химических наук, доцент; ведущий научный сотрудник

Евгений Анатольевич Стрельцов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск

доктор химических наук, профессор; заведующий кафедрой электрохимии химического факультета

Литература

  1. Eibl O., Nielsch K., Peranio N., et al. (eds). Thermoelectric Bi2Te3 Nanomaterials. Weinheim, 2015. DOI: 10.1002/9783527672608.
  2. Biswas K., He J., Blum I. D., et al. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures. Nature. 2012. Vol. 489, issue 7416. P. 414–418. DOI: 10.1038/nature11439.
  3. Richoux V., Diliberto S., Boulanger C., et al. Pulsed electrodeposition of bismuth telluride films: influence of pulse parameters over nucleation and morphology. Electrochimica Acta. 2007. Vol. 52, issue 9. P. 3053–3060. DOI: 10.10.16/j.electacta.2006.09.042.
  4. Lei C., Ryder K. S., Koukharenko E., et al. Electrochemical deposition of bismuth telluride thick layers onto nickel. Electrochem. Commun. 2016. Vol. 66. P. 1–4. DOI: 10.1016/j.elecom.2016.02.005.
  5. Gregory B. W., Stickney J. L. Electrochemical atomic layer epitaxy (ECALE). J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1991. Vol. 300, issue 1–2. P. 543–561. DOI: 10.1016/0022-0728(91)85415-L.
  6. Bondarenko A. S., Ragoisha G. A., Osipovich N. P., et al. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy of lead UPD on polycrystalline gold and on selenium atomic underlayer. Electrochem. Commun. 2005. Vol. 7, No. 6. P. 631– 636. DOI: 10.1016/j.elecom.2005.04.001.
  7. Bondarenko A. S., Ragoisha G. A., Osipovich N. P., et al. Multiparametric electrochemical characterisation of Te – Cu – Pb atomic three-layer structure deposition on polycrystalline gold. Electrochem. Commun. 2006. Vol. 8, No. 6. P. 921– 926. DOI: 10.1016/j.elecom.2006.03.033.
  8. Chulkin P. V., Aniskevich Y. M., Streltsov E. A., et al. Underpotential shift in electrodeposition of metal adlayer on tellurium and the free energy of metal telluride formation. J. Solid State Electrochem. 2015. Vol. 19, No. 9. P. 2511–2516. DOI: 10.1007/s10008-015-2831-x.
  9. Ivanou D. K., Ivanova Y. A., Ragoisha G. A., et al. Electrodeposition of tellurium and on tellurium. In: Grey D. (ed.). Tellurium: Properties, Uses Research. New York, 2017.
  10. Hicks L. D., Dresselhaus M. S. Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit. Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47, No. 19. P. 12727–12731. DOI: 10.1103/PhysRevB.47.12727.
  11. Wang G., Zhu X. G., Sun Y. Y., et al. Topological insulator thin films of Bi2Te3 with controlled electronic structure. Adv. Mater. 2011. Vol. 23, No. 26. P. 2929 –2932. DOI: 10.1002/adma.201100678.
  12. Fornari C. I., Rappl P. H., Morelhão S. L., et al. Structural properties of Bi2Te3 Topological insulator thin films grown by molecular beam epitaxy on (111) BaF2 substrates. J. Appl. Phys. 2016. Vol. 119, No. 16. P. 165303. DOI: 10.1063/1.4947266.
  13. Clavilier J., Feliu J. M., Aldaz A. An irreversible structure sensitive adsorption step in bismuth underpotential deposition at platinum electrodes. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1988. Vol. 243, No. 2. P. 419–433. DOI: 10.1016/0022-0728(88)80045-7.
  14. Sayed S. M., Jüttner K. Electrocatalysis of oxygen and hydrogen peroxide reduction by UPD of bismuth on poly- and mono-crystalline gold electrodes in acid solutions. Electrochimica Acta. 1983. Vol. 28, No. 11. P. 1635–1641. DOI: 10.1016/0013-4686(83)85228-1.
  15. Ragoisha G. A., Bondarenko A. S. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy. Electrochimica Acta. 2005. Vol. 50, No. 7. P. 1553–1563. DOI: 10.1016/j.electacta.2004.10.055.
  16. Zhu W., Yang J. Y., Gao X. H., et al. The underpotential deposition of bismuth and tellurium on cold rolled silver substrate by ECALE. Electrochimica Acta. 2005. Vol. 50, No. 27. P. 5465–5472. DOI: 10.1016/j.electacta.2005.03.028.
  17. Gregory B. W., Norton M. L., Stickney J. L. Thin-layer electrochemical studies of the underpotential deposition of cadmium and tellurium on polycrystalline Au, Pt and Cu electrodes. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1990. Vol. 293, No. 1. P. 85–101. DOI: 10.1016/0022-0728(90)80054-A.
  18. Ragoisha G. A., Bondarenko A. S., Osipovich N. P., et al. Multiparametric characterisation of metal-chalcogen atomic multilayer assembly by potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy. Electrochimica Acta. 2008. Vol. 53, No. 11. P. 3879–3888. DOI: 10.1016/j.electacta.2007.09.017.
  19. Osipovich N. P., Streltsov E. A., Susha A. S. Bismuth underpotential deposition on tellurium. Electrochem. Commun. 2000. Vol. 2, No. 12. P. 822–826. DOI: 10.1016/s1388-2481(00)00130-2.
  20. Ragoisha G. A., Bondarenko A. S., Osipovich N. P., et al. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy: lead underpotential deposition on tellurium. J. Electroanal. Chem. 2004. Vol. 565, No. 2. P. 227–234. DOI: 10.1016/j.jelechem.2003.10.014.
  21. Harman T. C., Walsh M. P., Laforge B. E., et al. Nanostructured thermoelectric materials. J. Electron. Mater. 2005. Vol. 34, No. 5. P. 19 –22. DOI: 10.1007/s11664-005-0083-8.
  22. Trasatti S., Petrii O. A. Real surface area measurements in electrochemistry. J. Electroanal. Chem. 1992. Vol. 327, issue 1–2. P. 353–376. DOI: 10.1016/0022-0728(92)80162-w.
  23. Malashchonak M. V., Streltsov E. A., Ragoisha G. A., et al. Evaluation of electroactive surface area of CdSe nanoparticles on wide bandgap oxides (TiO2, ZnO) by cadmium underpotential deposition. Electrochem. Commun. 2016. Vol. 72. P. 176–180. DOI: 10.1016/j.elecom.2016.10.004.
  24. Zheng J., Zhang H., Dong S., et al. High yield exfoliation of two-dimensional chalcogenides using sodium naphthalenide. Nature Commun. 2014. Vol. 5, Article number 2995. DOI: 10.1038/ncomms3995.
  25. Soriaga M. P., Stickney J., Bottomley L. A., et al. Thin Films: Preparation, Characterization, Applications. New York, 2012. DOI: 10.1007/978-1-4615-0775-8.
  26. Nicolosi V., Chhowalla M., Kanatzidis M. G., et al. Liquid exfoliation of layered materials. Science. 2013. Vol. 340, No. 6139, Article number 1226419. DOI: 10.1126/science.1226419.
  27. Ma Y., Johansson A., Ahlberg E., et al. A mechanistic study of electrodeposition of bismuth telluride on stainless steel substrates. Electrochimica Acta. 2010. Vol. 55, No. 15. P. 4610–4617. DOI: 10.1016/j.electacta.2010.03.018.
  28. Ragoisha G. A., Bondarenko A. S. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy for solid state chemistry. Solid State Phenomena. 2003. Vol. 90–91. P. 103–108. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.90-91.103.
  29. Bondarenko A. S., Ragoisha G. A. Progress in Chemometrics Research. New York, 2005. P. 89–102.
  30. Ragoisha G. A. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy for underpotential deposition processes. Electroanalysis. 2015. Vol. 27, No. 4. P. 855–863. DOI: 10.1002/elan.201400648.
  31. Chichagov A. V., Belonozhko A. B., Lopatin A. L., et al. The information processing system on crystal structures of minerals (Mincryst). Kristallografiya. 1990. Vol. 35, No. 3. P. 610–616.
Опубликован
2017-12-01
Ключевые слова: теллурид висмута, электроосаждение, подпотенциальное осаждение, UPD
Как цитировать
Боковец, А. С., Анискевич, Е. Н., Рагойша, Г. А., & Стрельцов, Е. А. (2017). Подпотенциальное осаждение висмута и свинца на теллуриде висмута: новое понимание электрохимического синтеза теллурида висмута и оценки реальной площади поверхности. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 2, 3-13. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/chemistry/article/view/1161
Выпуск
№ 2 (2017): Журнал Белорусского государственного университета. Химия
Раздел
Оригинальные статьи

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).