Электрокатализ реакции восстановления кислорода на модифицированных наночастицами золота диоксидтитановых пленках с различной морфологией

  • Анна Михайловна Мальтанова Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Надежда Юрьевна Брежнева Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Александр Васильевич Мазаник Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-4725-0969
  • Семен Олегович Мажейко )Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-7508-4585
  • Татьяна Васильевна Гаевская Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-1699-8552
  • Екатерина Владимировна Скорб Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия
  • Сергей Кондратьевич Позняк Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-1752-0670
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-257X-2020-2-63-75

Аннотация

Плотные и мезопористые пленки диоксида титана получены на титановых подложках методами термического окисления, гидролиза полибутилтитаната, нанесения золя диоксида титана, ультразвуковой обработки и анодного окисления и охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Электрохимическая активность диоксидтитановых пленок, исходных и модифицированных наночастицами золота, в реакции восстановления кислорода в щелочной среде исследована методом циклической вольтамперометрии. Показано, что эффективность протекания реакции восстановления кислорода на плотных и мезопористых диоксидтитановых пленках определяется их морфологией, структурой, а также степенью упорядоченности пор. Модифицирование пленок диоксида титана наночастицами золота приводит к снижению перенапряжения реакции электровосстановления кислорода. Установлено, что электроды, состоящие из высокоупорядоченных слоев нанотрубок диоксида титана с нанесенными наночастицами золота, демонстрируют существенно большую электрокаталитическую активность в реакции восстановления по сравнению с TiO2/Au-системами на основе плотных пленок и мезопористых пленок с неупорядоченной структурой пор. Свойства электрохимического поведения системы TiO2/Au (нанотрубки/наночастицы) объясняются особенностями транспорта электронов к поверхности электродов и структурой области пространственного заряда в мезопористой пленке оксида.

Биографии авторов

Анна Михайловна Мальтанова, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук; старший научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

Надежда Юрьевна Брежнева, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры неорганической химии химического факультета

Александр Васильевич Мазаник , Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий кафедрой энергофизики физического факультета

Семен Олегович Мажейко , )Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент химического факультета, стажер младшего научного сотрудника лаборатории химии тонких пленок. Научный руководитель – С. К. Позняк

Татьяна Васильевна Гаевская , Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук, доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок, директор

Екатерина Владимировна Скорб , Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия

кандидат химических наук; профессор химико-биологического кластера БГУ, директор Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО

Сергей Кондратьевич Позняк, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

Литература

  1. Li D, Lv H, Kang Y, Markovic NM, Stamenkovic VR. Progress in the Development of Oxygen Reduction Reaction Catalysts for Low-Temperature Fuel Cells. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2016;7(1):509–532. DOI: 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034526.
  2. Lipkowski J, Ross PN. Electrocatalysis. New York: Wiley-VCH; 1998.
  3. Kolbasov GY, Vorobets VS, Korduban AM, Shpak AP, Medvedskii MM, Kolbasova IG, et al. Electrodes based on nanodispersed titanium and tungsten oxides for a sensor of dissolved oxygen. Russian Journal of Applied Chemistry. 2006;79(4):605–610. Russian. DOI: 10.1134/S1070427206040173.
  4. Vakhnin DD, Pridorogina VE, Polyanskii LN, Kravchenko TA, Gorshkov VS. Redox sorption of oxygen dissolved in water on copper nanoparticles in an ion exchange matrix. Russian Journal of Physical Chemistry. 2018;92(1):155–160. Russian. DOI: 10.7868/S0044453718010302.
  5. Shao M, Chang Q, Dodelet JP, Chenitz R. Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Chemical Reviews. 2016;116(6):3594–3657. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00462.
  6. Nørskov JK, Rossmeisl J, Logadottir A, Lindqvist L, Kitchin JR, Bligaard T, et al. Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode. Journal of Physical Chemistry B. 2004;108(46):17886–17892. DOI: 10.1021/jp047349j.
  7. Tripachev OV, Tarasevich MR. Effect of size in oxygen electroreduction on gold over a wide range of pH. Russian Journal of Physical Chemistry. 2013;87(5):835–841. Russian. DOI: 10.7868/S0044453713050294.
  8. Štrbac S, Adžić RR. The influence of pH on reaction pathways for O2 reduction on the Au(100) face. Electrochimica Acta. 1996;41(18):2903−2908. DOI: 10.1016/0013-4686(96)00120-X.
  9. Solla-Gullón J, Vidal-Iglesias FJ, Feliu JM. Shape dependent electrocatalysis. Annual Reports on the Progress of Chemistry – Section C. 2011;107:263–297. DOI: 10.1039/c1pc90010b.
  10. Tang W, Lin H, Kleiman-Shwarsctein A, Stucky GD, McFarland EW. Size-dependent activity of gold nanoparticles for oxygen electroreduction in alkaline electrolyte. Journal of Physical Chemistry C. 2008;112(28):10515–10519. DOI: 10.1021/jp710929n.
  11. Sui S, Wang X, Zhou X, Su Y, Riffat S, Liu C-J. A comprehensive review of Pt electrocatalysts for the oxygen reduction reaction: nanostructure, activity, mechanism and carbon support in PEM fuel cells. Journal of Materials Chemistry A. 2017;5:1808–1825. DOI: 10.1039/C6TA08580F.
  12. Trasatti S. Interfacial electrochemistry of conductive oxides for electrocatalysis. In: Wieckowski A, editor. Interfacial electrochemistry, theory, experiment and applications. New York: Marcel Dekker Inc.; 1999. p. 769−793.
  13. Curnic OJ, Mendes PM, Pollet BG. Enhanced durability of a Pt/C electrocatalyst derived from Nafion-stabilised colloidal platinum nanoparticles. Electrochemistry Communication. 2010;12(8):1017–1020. DOI: 10.1016/j.elecom.2010.05.013.
  14. Tang H, Su Y, Zhang B, Lee AF, Isaacs MA, Wilson K, et al. Classical strong metal-support interactions between gold nanoparticles and titanium dioxide. Science Advances. 2017;3(5):e170023-1−e170023-8. DOI: 10.1126/sciadv.1700231.
  15. Bagheri S, Mohd Hir ZA, Termeh Yousefi A, Bee Abdul Hamid S. Progress on mesoporous titanium dioxide: synthesis, modification and applications. Microporous and Mesoporous Materials. 2015;218:206–222. DOI: 10.1016/j.micromeso.2015.05.028.
  16. Ong W-J, Tan L-L, Chai S-P, Yong S-T, Mohamed AR. Highly reactive {001} facets of TiO2-based composites: synthesis, formation mechanism and characterization. Nanoscale. 2014;6(4):1946–2008. DOI: 10.1039/c3nr04655a.
  17. Pei DN, Gong L, Zhang AY, Zhang X, Chen JJ, Mu Y, et al. Defective titanium dioxide single crystals exposed by high-energy {001} facets for efficient oxygen reduction. Nature Communications. 2015;6:68696. DOI: 10.1038/ncomms9696.
  18. Mareva EA, Popova OV. Electrochemical modification of titanium in aqueous-organic electrolytes. Taganrog: Southern Federal University; 2016. Russian.
  19. Roy P, Berger S, Schmuki P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie – International Edition. 2011;50(13):2904–2939. DOI: 10.1002/anie.201001374.
  20. Maltanava H, Poznyak S, Ivanovskaya M, Scharnagl N, Starykevich M, Salak AN, et al. Effect of fluoride-mediated transformations on electrocatalytic performance of thermally treated TiO2 nanotubular layers. Journal of Fluorine Chemistry. 2019;221:34–41. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2019.02.006.
  21. Maltanava H, Poznyak S, Starykevich M, Ivanovskaya M. Electrocatalytic activity of Au nanoparticles onto TiO2 nanotubular layers in oxygen electroreduction reaction: size and support effects. Electrochimica Acta. 2016;222:1013–1020. DOI: 10.1016/j.electacta.2016.11.070.
  22. Ovodok E, Maltanava H, Poznyak S, Ivanovskaya M, Kudlash A, Scharnagl N, et al. Synthesis and characterization of efficient TiO2 mesoporous photocatalysts. Materials Today: proceedings. 2017;5(9):11526–11533. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.09.062.
  23. Poznyak SK, Sviridov VV, Kulak AI, Samtsov MP. Photoluminescence and electroluminescence at the TiO2-electrolyte interface. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1992;340(1−2):73−97. DOI: 10.1016/0022-0728(92)80290-K.
  24. Felske A, Plieth WJ. Raman spectroscopy of titanium dioxide layers. Electrochimica Acta. 1989;34(1):75−77. DOI: 10.1016/0013-4686(89)80012-X.
  25. Shul’ga YM, Matyushenko DV, Kabachkov EN, Kolesnikova AM, Kurkin EN, Domashnev IA, et al. Correlation between the Eg(1) oscillation frequency and half-width of the (101) peak in the X-ray diffraction pattern of TiO2 anatase nanoparticles. Technical Physics. 2010;80(1):142–144. Russian. DOI: 10.13140/RG.2.1.5017.1049.
  26. Swamy V, Kuznetsov A, Dubrovinsky LS, Caruso RA, Shchukin DG, Muddle BC, Finite-size and pressure effects on the Raman spectrum of nanocrystalline anatase TiO2. Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2005;71(2−3):184302. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.184302.
  27. Mentus SV. Oxygen reduction on anodically formed titanium dioxide. Electrochimica Acta. 2004;50(1):27–32. DOI:10.1016/j.electacta.2004.07.009.
  28. Bonnefont A, Ryabova AS, Schott T, Kéranguéven G, Istomin SY, Antipov EV, et al. Challenges in the understanding oxygen reduction electrocatalysis on transition metal oxides. Current Opinion in Electrochemistry. 2019;14:23–31. DOI: 10.1016/j.coelec.2018.09.010.
  29. Freund T, Morrison SR. Mechanism of cathodic processes on the semiconductor zinc oxide. Surface Science. 1968;9(1):119–132. DOI: 10.1016/0039-6028(68)90167-2.
  30. Lynch RP, Ghicov A, Schmuki P. A photo-electrochemical investigation of self-organized TiO2 nanotubes. Journal of the Electrochemical Society. 2010;157(3):G76−G84. DOI: 10.1149/1.3276455.
  31. Zhu H, Zhao M, Zhou J, Li W, Wang H, Xu Z, et al. Surface states as electron transfer pathway enhanced charge separation in TiO2 nanotube water splitting photoanodes. Applied Catalysis B: Environmental. 2018;234:100–108. DOI: 10.1016/j.apcatb.2018.04.040.
  32. Riboni F, Nguyen NT, So S, Schmuki P. Aligned metal oxide nanotube arrays: key-aspects of anodic TiO2 nanotube formation and properties. Nanoscale Horizons. 2016;1:445–466. DOI: 10.1039/c6nh00054a.
  33. Regonini D, Chen G, Leach C, Clemens FJ. Comparison of photoelectrochemical properties of TiO2 nanotubes and sol-gel. Electrochimica Acta. 2016;213:31–36. DOI: 10.1016/j.electacta.2016.07.097.
Опубликован
2020-08-25
Ключевые слова: диоксид титана, пленки, морфология, наночастицы золота, электрокатализ, восстановление кислорода
Как цитировать
Мальтанова, А. М., Брежнева, Н. Ю., Мазаник , А. В., Мажейко , С. О., Гаевская , Т. В., Скорб , Е. В., & Позняк, С. К. (2020). Электрокатализ реакции восстановления кислорода на модифицированных наночастицами золота диоксидтитановых пленках с различной морфологией. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 2, 63-75. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2020-2-63-75
Выпуск
№ 2 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Химия
Раздел
Оригинальные статьи

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Химия

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

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).